采用DSP的直流無刷電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)

隨著電力電子技術(shù)，新的永磁材料以及具有快速運(yùn)算能力的DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）的發(fā)展，直流無刷電機(jī)應(yīng)用日益普及。直流無刷電機(jī)具有和直流電機(jī)相似的優(yōu)良調(diào)速性能，又克服了直流電機(jī)采用機(jī)械式換向裝置所引起的換向火花、可靠性低等缺點(diǎn)，且具有體積小、重量輕、效率高、電機(jī)的形狀和尺寸靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用在伺服系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床、電動(dòng)車輛和家用電器各領(lǐng)域，成為現(xiàn)代伺服技術(shù)的主方向。

    本文的主要內(nèi)容是基于DSP芯片MC56F8323的直流無刷電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)。主要包括電流環(huán)、速度位置環(huán)和IPM（智能功率模塊）驅(qū)動(dòng)電路的硬件設(shè)計(jì)。

2  控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1  系統(tǒng)硬件框架設(shè)計(jì)

    MC56F8323是FREESCALE（飛思卡爾）半導(dǎo)體公司56800E系列的一款DSP芯片，內(nèi)置FLASH，在核心頻率為60MHz下運(yùn)算速度可達(dá)到60MIPS（Million Instruction Per Second，每秒百萬條指令）。它所提供的大部分指令（包括乘法指令）均為單機(jī)器周期指令，且指令使用靈活、方便，具備進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算（如矢量運(yùn)算）的能力；3.3V供電，兼容5V輸入；最多可達(dá)27個(gè)通用I/O口，且每一個(gè)I/O口均可配置為中斷輸入和配置為集電極開路輸出，增大驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力。

    這款DSP芯片是專門面向運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的數(shù)字信號(hào)處理器，其上包括了電機(jī)控制所需要的主要功能模塊，如六路PWM模塊、正交編碼模塊、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、與外界通信的SPI（Serial Peripheral Interface，串行外圍接口）、SCI（Serial Communications Interface，串行通信接口）和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線模塊。因此只需很少的系統(tǒng)元件就可以組成一個(gè)完整的伺服系統(tǒng)。其典型應(yīng)用硬件電路框圖如圖1所示。需要特別指出的是其內(nèi)部帶有PWM模塊，特別適用于電機(jī)控制。PWM模塊有6個(gè)輸出通道，從PWM0到PWM5，可以配置為3對(duì)互補(bǔ)的PWM信號(hào)或6個(gè)獨(dú)立的PWM信號(hào)，在互補(bǔ)通道下允許可編程的死區(qū)時(shí)間插入，通過電流狀態(tài)輸入或軟件獨(dú)立的頂/底通道脈寬校正和獨(dú)立的頂部、底部通道極性控制。
 

圖1  控制器硬件框圖

    由DSP內(nèi)置的PWM模塊產(chǎn)生六路PWM信號(hào)直接輸入IPM模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在控制算法中需要電機(jī)運(yùn)行時(shí)的相電流，由兩個(gè)電流傳感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸入DSP內(nèi)置的AD模塊，該AD模塊有兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器，可以保證采集到的相電流是同時(shí)的。電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置的測(cè)量由外置的光電編碼器完成，由編碼器產(chǎn)生的兩路正交信號(hào)輸入DSP內(nèi)置的正交編碼模塊，就可由DSP計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置。人機(jī)接口通過DSP內(nèi)置的SCI、SPI和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線模塊完成對(duì)電機(jī)各種參數(shù)的設(shè)定，同時(shí)監(jiān)視電機(jī)的運(yùn)行狀況。

2.2  電流環(huán)的設(shè)計(jì)

    在直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)中，為了得到較好的控制性能，很多的控制算法如矢量控制等都需要知道電機(jī)定子的三相相電流。

    電流環(huán)主要是完成DSP對(duì)電機(jī)相電流的檢測(cè)，只需要采集兩相的電流根據(jù)KCL電流定理就可以知道三相的電流了。所采用電流傳感器為L(zhǎng)EM（萊姆）公司的LTS6-NP，其為霍爾型電流傳感器，采用單極供電，具有出色的精度、良好的線性度、低溫漂和反應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)，測(cè)量范圍靈活，可配置為從-3A～+3A、-6A～+6A和-19.2A～+19.2A，非常適用于電機(jī)的電流檢測(cè)。以最后一種配置為例，其輸出電壓與原邊電流曲線圖如圖2所示。
 

圖2  電流傳感器輸入輸出曲線圖

    現(xiàn)在很多的電路設(shè)計(jì)中采用在逆變橋的下橋臂上串接電阻分壓作為傳感器，將電阻上的電壓信號(hào)作為采樣信號(hào)。這種檢測(cè)方法非常簡(jiǎn)單和便宜，但是很難做到電阻值穩(wěn)定不變，采樣精度不高，不能提供準(zhǔn)確的電流值。而且反饋控制電路與主電路沒有隔離，萬一功率電路的高電壓通過反饋電路進(jìn)入控制電路，將危及到控制系統(tǒng)的安全。并且在有些硬件條件下，如某些IPM模塊不提供下橋臂發(fā)射極開路，就不能實(shí)現(xiàn)使用電阻器進(jìn)行相電流的測(cè)量。因此給出通用的解決方案。

    電流傳感器輸出電壓為模擬量，必須要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，DSP才能使用。MC56F8323帶有AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器（許多DSP芯片是不具備的），轉(zhuǎn)換精度為12位，轉(zhuǎn)換速度最快為每次同時(shí)掃描只需要5.3?s。ADC模塊最大時(shí)鐘頻率為5MHz，每個(gè)時(shí)鐘周期為200ns。第一個(gè)采樣需要8.5個(gè)ADC時(shí)鐘，以后每個(gè)采樣需要6個(gè)ADC時(shí)鐘，同時(shí)掃描采樣一共需要4個(gè)采樣，一共花26.5個(gè)時(shí)鐘周期，需要5.3us（26.5×200ns=5.3?s）。若采用同時(shí)掃描方式，由于內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立AD轉(zhuǎn)換器可以同時(shí)對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行采樣，這就可以保證采集到的兩路相電流是同時(shí)的，且ADC采樣可以通過同步信號(hào)和PWM信號(hào)同步。

2.3  速度位置環(huán)的設(shè)計(jì)

    速度位置環(huán)在電機(jī)控制中具有非常重要的作用，其檢測(cè)到的精確性直接反應(yīng)到對(duì)電機(jī)控制的精度。速度的測(cè)量方法有多種，如測(cè)速發(fā)電機(jī)、感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、光電式轉(zhuǎn)速傳感器以及旋轉(zhuǎn)變壓器式轉(zhuǎn)速傳感器等。但目前調(diào)速系統(tǒng)速度和位置反饋控制中應(yīng)用較多的還是增量式光電編碼器，它不僅可以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，還可以測(cè)定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
 

圖3  光電編碼器結(jié)構(gòu)圖
光電編碼器的工作原理為：在刻度盤上均勻分布一定數(shù)量的小孔，有光透過時(shí)產(chǎn)生邏輯“1”信號(hào)，沒有透光時(shí)產(chǎn)生邏輯“0”信號(hào)，這樣從光敏傳感器就可以產(chǎn)生A、B兩路相位相差90度的正交信號(hào)。

    MC56F8323內(nèi)部帶有正交編碼模塊（quadrature decoder），從編碼器輸出的正交信號(hào)輸入DSP的PHASEA腳和PHASEB腳，內(nèi)部的正交編碼模塊將信號(hào)進(jìn)行四倍頻，再由位置計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)從而可以確定轉(zhuǎn)子的速度和位置。如果PHASEA信號(hào)的相位領(lǐng)先于PHASEB信號(hào)，那么運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎颍浜髣t為負(fù)向。其正交信號(hào)檢測(cè)時(shí)序如圖4所示。
 

圖4  正交信號(hào)檢測(cè)時(shí)序圖

    MC56F8323正交編碼模塊具有如下特點(diǎn)：PHASEA和PHASEB的輸入信號(hào)首先必須通過一個(gè)干擾信號(hào)濾波器，該濾波器可以數(shù)字延時(shí)，可以濾除毛刺，保證只有真正的信號(hào)才進(jìn)行計(jì)數(shù)。同時(shí)對(duì)于只用單個(gè)信號(hào)的控制，均可配置為單個(gè)的脈沖計(jì)數(shù)。

    對(duì)于一個(gè)高速轉(zhuǎn)軸編碼器，轉(zhuǎn)軸速度可以通過計(jì)算每單位時(shí)間內(nèi)位置計(jì)數(shù)器的變化值來得到。對(duì)于低速電機(jī)，由于輸入PHASEA和PHASEB與通用定時(shí)器相連均可作為輸入捕捉引腳，可以利用定時(shí)器測(cè)量正交相位之間的時(shí)間周期來得到高分辨率的速度測(cè)量。定時(shí)器模塊利用一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器，通過對(duì)總線時(shí)鐘的分頻來計(jì)數(shù)，40MHz的總線時(shí)鐘頻率最大可以得到102ms的計(jì)數(shù)周期。對(duì)于一個(gè)1000齒的編碼器來說，通過利用定時(shí)器測(cè)量速度可以精確測(cè)量到0.15轉(zhuǎn)每分。

2.4  IPM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

    IPM（智能功率模塊）驅(qū)動(dòng)電路主要完成對(duì)DSP芯片產(chǎn)生的六路PWM信號(hào)的功率放大，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的功率管從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

    IRAMS16UP60A PlugNDriveTM集成電源模塊（IPM）是IR公司iMOTION集成設(shè)計(jì)平臺(tái)系列的產(chǎn)品，它除了將6個(gè)高壓功率晶體管和驅(qū)動(dòng)芯片IR2136等電路集成在一個(gè)小型絕緣封裝外，還具有過熱、過流、欠壓和內(nèi)置死區(qū)控制防止高端IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和底端IGBT短路等保護(hù)功能，以確保操作安全以及系統(tǒng)可靠。此外，它還能夠由一個(gè)+15V直流電源來提供工作電壓，可以簡(jiǎn)化其在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的使用，并由此加速最終產(chǎn)品的開發(fā)。其典型應(yīng)用電路圖如圖5所示。
 

圖5  IPM典型應(yīng)用原理圖

 

    與分立元件相比，模塊除了具有眾所周知的優(yōu)點(diǎn)（更小、更可靠、可視為單一元件）外，IRAMS16UP60A模塊還使設(shè)計(jì)者避免了在IGBT逆變器設(shè)計(jì)中常遇到的幾個(gè)問題：

?  模塊具有很低的電路電感，可以減小電壓尖峰，在較低的開關(guān)損耗下可以工作于較高的開關(guān)頻率；

?  所有低端和高端IGBT的傳輸延遲匹配，可以防止直流電流加到電機(jī)上；

?  內(nèi)置死去時(shí)間控制提供充足死區(qū)時(shí)間防止高端IGBT和低端IGBT短路；

?  故障安全工作確保過流過壓時(shí)停機(jī)，使設(shè)計(jì)者不用設(shè)計(jì)過流和過壓保護(hù)電路；

?  提供了溫度監(jiān)視和相電流檢測(cè)引腳。

3  結(jié)語

    本文詳細(xì)論述了采用MC56F8323 DSP為核心的直流無刷電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)，給出了電流環(huán)、速度位置環(huán)和IPM驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)際應(yīng)用電路。此硬件設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用在國(guó)內(nèi)某高檔電腦平縫機(jī)上，性能優(yōu)異，部分指標(biāo)達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。