智能功率模塊PS21265在直流無刷電機伺服系統中的應用

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(鄭州電力高等?？茖W校，河南 鄭州 450004)

智能功率模塊PS21265在直流無刷電機伺服系統中的應用

羅丹羽，張麗娟，崔均亮

(鄭州電力高等專科學校，河南 鄭州 450004)

介紹了基于智能功率模塊(IPM)的直流無刷電機(BLDCM)伺服系統的設計原理和過程，側重于智能功率模塊PS21265在BLDCM控制系統中的具體應用，并分析了直流無刷電機的控制原理，并利用所建數學模型對直流無刷電機的控制系統進行了仿真，仿真結果表明設計達到了預期要求，電機起動快速、穩定，可靠性較好。

智能功率模塊PS21265；伺服系統；直流無刷電機

1 引言

隨著現代化工業的不斷發展，伺服系統在許多領域的應用日益廣泛，在工業器械方面的通用變頻、交流伺服等的控制裝置中，除了對高性能化、小型化、低損耗化的需求之外，對于易用性、顧全環境等的新要求也在逐年提高。這也要求在設計功率電路時應滿足新需要[1,2]。與其他功率模塊相比，智能功率模塊IPM采用精型芯片，大幅降低控制電源的耗電量，在實現更低損耗的同時，實現了裝置的小型化和輕量化，并可以完全實現無鉛化。

本系統以450W直流無刷電機為被控對象，基于三菱公司的智能功率模塊PS21265及德州儀器公司的控制專用DSP芯片TMS320F2812，利用PI控制方案，設計并實現了速度、電流雙閉環的無刷直流電動機全數字化伺服系統。

2 系統原理及硬件電路設計

2.1流無刷電機的工作原理

直流無刷電機可以看作是一臺用電子換相裝置取代機械換相的直流電動機，如圖1所示，永磁直流無刷電機主要由永磁電機本體、轉子位置傳感器和電子換相電路組成[3]。

圖1 三相無刷直流電機原理圖

普通直流電機的電樞在轉子上，而定子產生固定不變的磁場。為了使直流電機旋轉，需要通過換向器和電刷不斷地改變電樞繞組中電流的方向，使兩個磁場的方向始終保持相互垂直，從而產生恒定的轉矩驅動電機不斷旋轉。直流無刷電機去掉了電刷，做成與普通直流電機相反的結構：將電樞放到定子上，轉子使用永磁體。為了使電機的轉子旋轉，必須使定子電樞各相繞組不斷地換相通電，這樣使定子磁場隨著轉子的位置不斷變化，使定子磁場和轉子永磁磁場始終保持90°左右的空間角，產生轉矩推動轉子旋轉[4]。

2.2系統概述

直流無刷電機由智能功率模塊(IPM)驅動，它集成了三相IGBT逆變器及其驅動與保護電路，其控制系統的硬件框圖如圖2所示。單相交流電經過整流濾波得到的直流電壓，再經過IPM逆變后輸出作為電機的三相輸入。電機的電流信號由霍爾電流傳感器獲取，只需采集兩相獨立的電流信號即可。電機的位置信號由安裝在機軸上的霍爾傳感器器獲得，速度信號由安裝在機軸上的光電編碼器獲得。整個伺服系統的控制電路以TMS320F2812數字信號處理器為核心，它完成直流無刷電機數字控制中的傳感器信號的采集與數據處理，實現電機的PI控制算法，產生控制電力電子器件(IGBT)開關的PWM信號。

圖2 系統硬件框圖

2.3功率電路

功率電路主要是指整流環節和三相逆變環節，在整流環節中本系統采用的是一個單相整流模塊，整流環節如圖3所示，220V單相交流電經過整流器整流為310V直流電，再經過濾波后進入逆變環節。

三相逆變環節則采用了智能功率模塊(IPM)，IPM的驅動電路如圖3所示。PS21265需要四組15V驅動電源，上橋組用3個電源，下橋共用一個電源，接入VCC引腳引腳。六個引腳(UL，VL，WL，UH，VH，WH)是經過光藕隔離后PWM+5V輸入的控制端。UO1，VO1，WO1是三相輸出電壓，用于控制直流無刷電機，需要約10K上拉電阻接至5V電源電壓。由于IPM內部集成了IGBT的驅動電路，所以在使用時可將DSP輸出的PWM信號經光耦隔離后直接輸出給IPM。PS21265內部具有SC(短路)、OC(過流)、UV(欠壓)、OT(過熱)四種自保護電路。如果以上四種電路中有一種動作，三相橋臂中的六個IGBT就會馬上關斷同時IPM會輸出一個對應的故障信號以便通知系統控制器。在IPM中A，B，C三相橋臂的每個上管都分別有自己獨立的SC，OC，UV，OT保護電路，而三相橋臂的下三管則共用一個保護電路，所以整個IPM模塊中共有4個保護信號輸出。這4路信號在輸出給外部器件時也要先經光耦隔離。在設計系統控制電路時可將這4路信號綜合后輸到DSP的引腳，以便故障時及時封鎖DSP的PWM信號。

圖3 系統硬件框圖

本系統采用MITSUBISHI公司第三代IPM中的PS21265，其特點和參數為[5]：

(1)應用HVIC實現集成電平轉移，高電平導通邏輯，可與DSP/MCU接口兼容；

(2)輸入信號端內置下拉電阻，外部無須再下拉電阻；

(3)輸入對地電壓典型值300V，橋式電壓輸出400V，峰值輸出電流12A；

(4)開關頻率典型值5kHz；

(5)過流、短路、超溫、欠壓的狀態檢測和保護，故障信息顯示；

(6)單片集成的門驅動和保護邏輯。

3 系統軟件設計

直流無刷電機控制系統軟件的設計是DSP根據獲得的電機轉速的設定值以及從傳感器信號測得的電機實時轉速，用PI算法計算出電機的轉速控制量，從而調節電機的轉速，使電機的轉速跟隨轉速的設定值。根據轉速控制量和電機的實時轉速，依照控制算法計算出新的PWM脈沖的占空比，更新EVA定時器1比較寄存器的值，從而產生PWM信號調節電機的轉速。

4 系統仿真與分析

本系統利用Matlab/Simulink建立起來直流無刷電機控制系統的仿真模型，主要包括電機本體模塊、逆變器模塊、轉速測量模塊、位置模塊和脈寬調制模塊，并實現雙閉環的控制算法。

其中，轉速的給定值為560rpm。電機的主要參數為磁極對數為2對極；額定功率為450W，額定電壓為220V，額定電流為2.5A，最大電流為5A，轉動慣量為0.086KG·m2，氣隙磁通為0.09365WB，電樞電阻為7.65Ω，與實驗電機一致。

圖4 空載時速率響應 圖5 突加負載時速率響應

從仿真結果可以看出，當電機空載運行時，電機轉速迅速(大約為0.02s時)上升到給定值560rpm，當在0.04s時突加0.3Nm的負載后，電機轉速發生突降，但能迅速恢復到平衡狀態。從仿真結果可以看出，本系統所建的電機和控制系統模型基本符合實際，并且具有較好的動態性能。

5 結論

本系統是以三菱公司的智能功率模塊PS21265及德州儀器公司的控制專用DSP芯片TMS320F2812為核心芯片的直流無刷電機控制系統，系統硬件結構簡單、軟件實現方便，系統的功耗低、控制精度高、實時性強、升級空間較大，而且能夠實現的控制功能豐富。尤是其內部的高速捕獲單元、脈寬調制等模塊，非常適用于直流無刷電機控制這樣的實時應用中。本系統只實現了基本控制，功能相對單一。為使系統更具實用性，可開發非線性補償、參數優化、故障診斷、多機協調控制等功能。

[1] 曲家騏.展望 21 世紀的無刷直流電動機[J].微特電機，1999(4)：41-43.

[2] 鄭吉，王學普.直流無刷電機控制技術綜述[J].微特電機，2002(3)：11-13.

[3] 胡寶興.基于DSP的電動自行車用直流無刷電機控制系統的研究[D].浙江工業大學，2005.

[4] Bon-Ho Bae,Nitin Patel,Steven Schulz.New Field Weakening Technique for High Saliency Inte Permanent Magnet Motor.IEEE Transactions on Power Electronics,July,2003:898-901.

[5] DIP-IPM Ver.3 http://www.mitsubishicorp.com.

2013-09-14

羅丹羽(1981-)，女，漢，講師，碩士研究生，主要研究方向為電能測量與分析；

崔均亮(1974-)，男，漢，講師，碩士研究生，主要研究方向為智能儀器；

張麗娟(1982-)，女，漢，講師，碩士研究生，主要研究方向為電機控制。

ApplicationofIPMPS21265inBLDCMServoSystem

LUODan-yu,ZHANGLi-juan,CUIJun-liang

(Zhengzhou Electric Power College，Zhengzhou 450004，China)

This paper presents the theory and process of the design for BLDCM using IPM PS21265,and analysis of BLDCM control theory.Take advantage of the mathematical model on BLDCM control system for the simulation.the results shows that the motor start fast and stable with wider area of speeding.and this BLCDM control system has the characteristic of simple structure,high dependability,and can be used in many fields.

IPM PS21265 servo system BLDCM

1004-289X(2013)06-0084-03

TM33

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