六相感應電機數字控制系統硬件設計

李 山，劉述喜，姜 程，王 博

（重慶理工大學電氣工程與自動化系，重慶 400054）

1 引言

多相電機與三相電機相比，有許多突出的優勢，例如多相系統能減小轉子諧波損耗和直流母線上的諧波電流，減少轉矩脈動[1]。六相電機已經被應用在推進系統中，比如船舶推進系統和電車推進系統。由于可靠性高和優越的電磁轉矩特性，多相電機正越來越多的被學者們所研究。本文根據六相電機的特性，自行設計了一個基于數字信號處理器的六相電機控制系統硬件平臺，以便實現六相感應電機多種控制方案。

2 系統主電路設計

系統的整個硬件實驗平臺由調壓器、電機控制器、六相感應電機、信號（電流、轉速等）測量和計算機數據采集系統幾個部分構成，如圖1所示。調壓器可以用于慢慢增大直流母線電壓。

圖1 實驗總體平臺框圖

圖1中的電機控制器是把主電路和控制電路看成一體。主電路的功能主要是要實現AC-DC-AC的功率轉換，控制電路主要是接收檢測信號經運算后發出控制信號，使六相電機得到其需要的交流電的電壓與頻率。主電路與控制電路的所有部件都固定在一塊絕緣板上，主電路與控制電路分開到兩個區域安裝，可以避免相互之間的干擾，電機控制器有兩電源接入，一個是主電路用的380 V三相電源，一個是控制電路用的220 V單相電源。如圖2所示。

圖2 系統主電路結構

圖2中整流電路采用不可控整流橋，而逆變器則是整個系統的受控對象，其控制精度和可靠性直接影響到整個系統的設計性能。首先三相電壓為工業用380 V交流電，由于系統對于整流后的波形要求并不高，就直接采用三相不可控整流橋。因為是六相電機，逆變部分輸出六相電壓，逆變器件采用智能功率模塊（IPM）PM75DSA120，額定電流75 A，額定電壓1200 V，屬于兩單元IGBT模塊，所以共需要6個IPM模塊，IPM模塊將功率模塊、驅動電路、保護電路集于一體，使整個系統的開發工作變得快捷而方便[2]。我國的市電電壓波動比較大，為防止直流側中有高次諧波，在IPM的P，N直流電壓端前加上一個大電容進行濾波，并緩沖感應電機無功功率[3]。

3 DSP控制電路

DSP控制板是整個控制系統的運算核心，同時還包含了系統對外的通訊和仿真接口，本文選用了TI公司的 TMS320F2812（150 MHz時鐘頻率）作為控制芯片，它將實時處理能力和控制器外設集于一身，被廣泛用于工業電機驅動系統[3]。本文中用到的DSP外圍電路如圖3所示。

3.1 電源電路

DSP系統一般都采用多電源系統，電源及復位電路的設計對系統的性能有重要的影響。TMS320F2812是一款低功耗設計的芯片，該電壓為1.8 V，I/O電壓為3.3 V。本文采用TPS767D318芯片，能將5 V電壓變化成3.3 V和1.8 V兩種不同的電壓，如圖4所示。

TMS320F2812 DSP的時鐘電路可以有兩種連接方式，即外部振蕩器方式和諧振器方式，本文選用的是諧振器方式，其電路簡單，只需一個晶振和兩個電容即可[4]。

圖3 DSP及外圍電路框圖

3.2 DSP與JTAG的接口設計

DSP仿真器通過DSP芯片上提供的仿真引腳實現仿真功能，如圖5所示。掃描仿真掃除了傳統電路仿真存在的電纜過長會引起的信號失真及仿真插頭可靠性差的問題，掃描仿真使得在線仿真成為可能，給調試帶來極大方便。

圖4 電源變換電路

圖5 JTAG接口電路

3.3 DSP的串行接口設計

由于TMS320F2812芯片的SCI接口的TTL電平與PC機的RS-232電平不兼容，所以連接時必須要經過電平轉換，本文選用MAX202E芯片驅動串行通信。其集成度高，而且具有兩個接收和發送通道。串行接口電路設計如圖6所示。

3.4 主控制電路調試經驗

在調試主控制電路時，應特別注意系統板的供電電源有很好的恒流恒壓性，系統板供電電源應是5 V，電壓如果過低，由JTAG向Flash燒入程序時會出現錯誤提示，電壓如果過高，則會燒壞DSP芯片，所以在加電后，應用手感覺芯片是否特別熱，如果發現芯片太熱，則應立即斷掉電源，重新檢查電路。所以，應該高度重視電源質量。

圖6 串行接口電路

4 信號隔離電路

由DSP輸出的PWM控制信號需要經過一定的轉換與隔離才能對功率器件進行控制，這其中不僅要保證控制信號的驅動能力，同時還要保證準確性與抗干擾性[5-6]。逆變電路選用三菱公司的PM75DSA120的智能功率模塊（IPM）。它是將IGBT開關器件配套的驅動電路、檢測電路與保護電路以及某些接口電路和功率模塊都集成到一起的集成功率模塊。

PM75DSA120是一個兩單元IPM模塊，只能作為一組上下橋臂的功率塊，當控制信號（柵極驅動）與主電路共用一個電流路徑時，由于主回路有很高的di/dt，致使在具有寄生電感的功率回路產生感應電壓，而導致可能感應到柵極把本來截止的IGBT導通，因此IPM需要兩組相互隔離的電源，上下橋臂各一個。因為是六相電機，需要兩組三橋臂的驅動模塊，因此，本文需要6個PM75DSA120模塊。每三個組成一組，用于驅動電機的其中三相。由于DSP TMS320F2812有兩個事件管理器 （EVA和EVB），每個事件管理器的全比較單元剛好可以發出6個PWM信號，可以驅動3個PM75DSA120模塊。兩個事件管理器則剛好可以控制六相電機需要的12個 PWM 信號，DSP的 EVA驅動電機的 A，C，E相，EVB則驅動電機的B，D，F相。

DSP發出的PWM信號不能直接連接到IPM上，而是需要一個隔離電路，這里采用IPM專用的高速光耦HCPL4504，如圖7所示。從第6腳輸出信號接IPM模塊輸入。

圖7 DSP輸出驅動信號隔離電路

圖8為驅動信號實驗測試波形，上下IGBT器件的驅動信號互補，且留有幾個us的死區，避免橋臂直通。

圖8 一組驅動信號實驗波形

作為一個完善的控制系統，故障的檢測和保護電路是必不可少的。本系統中，過壓、過流、過溫保護均集成在IPM器件上，每一個單元都有單獨的過壓和過流保護，當有故障發生時，IPM會封鎖住所有的輸入信號，停止輸出驅動電壓，并且會發出一個錯誤信號F0，因此，必須有一個外部電路檢測到這個信號，并將其送至DSP中的PDPINT引腳，當IPM模塊正常工作時DSP的PDPINT引腳為高電平，DSP正常輸出脈寬調制波，如為低電平，說明IPM模塊已經檢測到故障，如過流、過溫等，則DSP的PWM引腳被置為高阻態，封鎖PWM輸出。由于保護電路屬于系統的弱電控制，而故障信號又是從系統的主電路取出的，為保證系統穩定要實行弱電與強電的隔離，本文采用PC817作為錯誤信號隔離電路，如圖9所示。

圖9 錯誤信號隔離電路

5 信號檢測電路

電機的控制系統大多是通過閉環進行控制的，為了實現閉環控制，首先要將控制量（電壓，電流等）檢測出來，然后再反饋給控制系統，檢測電路是交流控制系統中的重要組成部分，它的設計是否合理，直接影響到裝置運行的可靠性和控制的精度。由于電機是采用電壓源型逆變器供電，電流波形是含有高次諧波的毛刺形狀，DSP的AD轉換器只能接受幅值在一定范圍（0～3.3 V）內變化的電壓信號，因此模擬量輸入通道設計應考慮濾除干擾，極性變化和幅值變換等因素，然后再把電壓信號輸入到A/D轉換器，以便DSP采樣處理。本系統采用LEM霍爾電流傳感器LT100-P，它的工作電壓是±15 V，輸入輸出比是1000：1，霍爾傳感器輸出的是弱電流信號，因此要把霍爾傳感器的電流信號轉換為電壓信號，然后再經電壓跟隨器，再經過濾波處理，但此時霍爾傳感器輸出的是有正負的交流信號，而TMS320F2812的AD口的輸入需是0～3.3 V的電壓信號，所以為了AD轉換器既能轉換其正信號，又能轉換其負信號，還需要將電壓信號提升，將其負信號全部提升至正電壓信號以適應DSP的輸入需求，電路設計如圖10所示。

運放MCP604構成了一個巴特沃斯有源低通濾波器，為了使AD采樣能夠正確的反映電流的變化情況，同時也濾除干擾，濾波器的截止頻率設置為10 kHz。對電機相電路進行檢測，并在DSP編譯環境顯示出來，如圖11所示。

圖10 信號檢測電路

在完成硬件設計后，系統實驗波形如圖13所示。

圖11 DSP開發環境顯示相電流波形

對圖11所示的電流采樣信號進行FFT分析，得到圖12所示的波形，可以看出，諧波含量很少。這樣可以在開發環境中可以充分利用DSP資源。

圖12 電流信號FFT分析

圖13是在完成硬件設計各部分單元測試后，編寫了SPWM測試程序，IPM模塊一組橋臂輸入電壓波形。上下IGBT互補，呈現正弦脈寬調制形式，不足之處就是毛刺較多，還需改進。

圖13 IPM模塊一組輸入互補SPWM波形

6 結語

硬件平臺是電機控制的物質基礎，本文基于中高端芯片DSP2812和IPM模塊架構，介紹了用于六相感應電機控制硬件平臺設計方法，包括主電路和控制電路。由于主要用于研究生實驗，所以有些方面仍需改進。DSP具有高速運算能力，實時控制性能及較高的采樣精度，使當前一些先進的控制策略，如矢量控制或直接轉矩控制達到預期的效果，下一步工作就要開展六相電機的高性能控制。

[1]李永東.交流電機數字控制系統[M].北京:機械工業出版社,2002.

[2]劉和平.數字信號處理器原理、結構及應用基礎----TMS320F2812[M].北京:機械工業出版社,2007.

[3]陳伯時.交流調速系統[M].北京:機械工業出版社,2003.

[4]蘇奎峰.TMS320F2812原理與開發 [M].北京:電子工業出版社,2005.

[5]劉述喜,王明渝.基于DSP的感應電動機直接轉矩控制系統設計[J].電力電子技術,2006，40（5）：112-115.

[6]劉述喜,王明渝.基于DSP的電機數據采集卡設計[J].微特電機,2008,36（12）：22-25.