一種DSP控制的永磁同步電機控制系統(tǒng)硬件設計

多曉艷，李動

（衡水技師學院（衡水科技工程學校），河北衡水，053000）

永磁同步電機是一種作業(yè)效率較高、損耗偏低、體積較小、功率密度偏高的設備作業(yè)控制裝置，在多個領域均有所應用[1]。例如，工業(yè)控制、機械制造等。為了充分發(fā)揮裝置作用，需要為其配備相應的控制器，在該裝置的驅(qū)動下開始高效運轉[2]。目前，控制器的主要控制芯片以單片機或者DSP為主，相比之下，單片機的運算處理能力偏低，而永磁同步電機對于運算處理需求較高，所以DPS芯片成為了首要選擇對象[3]。功率驅(qū)動單元作為重要組成結構，主要以IPM單元和IGBT單元為主，前者的電路相對簡單，安全性能較高[4]。所以，本文嘗試選擇DSP作為核心控制芯片，利用IPM單元開發(fā)功率驅(qū)動模塊，提出永磁同步電機控制系統(tǒng)硬件設計研究。

1 永磁同步電機控制系統(tǒng)架構設計

電機驅(qū)動控制系統(tǒng)主要利用DSP2812芯片進行控制，利用該芯片控制各個設備，而功率的驅(qū)動部分，則是利用IPM逆變器進行驅(qū)動，從而使得電機得以正常作業(yè)。如圖1所示為電機控制系統(tǒng)整體架構。

圖1 電機控制系統(tǒng)整體架構

該系統(tǒng)硬件架構主要分為兩部分，其中一部分為控制硬件電路，另外一部分為功率驅(qū)動硬件電路。另外，輔助電路包括供電電路和信號檢測電路。考慮到控制電路在作業(yè)期間容易受功率驅(qū)動電路中高壓側的干擾，所以本系統(tǒng)架構在兩部分電路連接處增加了光耦隔離電路。本系統(tǒng)對于電機作業(yè)狀態(tài)的控制，需要根據(jù)信號采集情況下達命令，為了實現(xiàn)信號處理，本系統(tǒng)增加了信號處理器，為其選取TMS320F2812作為核心控制芯片。對于逆變器的應用，則是以內(nèi)部功率開關作為主要控制裝置，通過調(diào)節(jié)電流幅值和頻率，將電路中當前流動的電流轉換為三相交流電源，以此驅(qū)動電機正常作業(yè)。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

■2.1 主功率電路設計

2.1.1 主電路的設計

無刷直流電動機控制系統(tǒng)功率主電路如圖2所示，由于該系統(tǒng)電機額定電壓為36V，額定電流為5A，因此功率電路應屬于小功率范圍。本系統(tǒng)選用的是MOSFET功率管IRF2807，采用IRF2807可以獲得較快的開關速度，尤其適合驅(qū)動小功率電機，其內(nèi)部漏—源極間集成有反向快速恢復二極管，直接對MOS管起保護作用而不必外接。旁路電阻R用來檢測電機的直流母線上電流，該電流信號I由電阻R的壓降測出，不但可以為電流環(huán)提供反饋電流信號，還可以通過實時監(jiān)控電流防止電機過流發(fā)生故障，過流信號輸入到功率橋的前級驅(qū)動芯片和DSP處理器中，在過流時及時封鎖功率場效應管門極驅(qū)動信號。

圖2 電動機控制系統(tǒng)主電路圖

2.1.2 逆變電路

為了提升系統(tǒng)作業(yè)安全性能，本設計方案在系統(tǒng)硬件架構中添加了逆變電路，以PS21865作為控制器，設計逆變電路，如圖3所示。

圖3 逆變電路

因為DSP所產(chǎn)生的PWM波形頻率比較高（33kHz），用一般的低速光耦會使得驅(qū)動電路的開關時間變長，在低速，小負載時會嚴重影響到電機的低速性能，所以本文選用高速光耦6N137，該光耦最高開關速度為10MHz，有效提高逆變器的快速性。

■2.2 信號檢測電路設計

2.2.1 母線電壓檢測電路

本系統(tǒng)中三相定子電壓，即U相、W相、V相，需要根據(jù)檢測直流母線電壓，結合觀察當前逆變器開關作業(yè)狀態(tài)計算獲取?？紤]到電路中的電壓為直流電壓，所以本系統(tǒng)采用電阻分壓的方式采集電壓信息。如圖4所示為母線電壓采集電路。

圖4 母線電壓采集電路

該電路中，以直流母線電壓限定范圍，設定分壓電阻數(shù)值，分別為。前者為功率電阻，后者為貼片電阻。為了改善電路的阻抗性能和隔離作用，在分壓電路后增加了電壓跟隨器，與模擬光電耦合器共同作業(yè)，調(diào)節(jié)電路中的隔離信號。該電路輸出信號為模擬信號，經(jīng)過A/D轉換處理后生成數(shù)字信號，利用TMS320F2812計算信號數(shù)據(jù)。

2.2.2 電流檢測電路

TMS320F2812 芯片內(nèi)含12位單極性 A/D 轉換模塊，A/D 采樣總共有 16 個通道。最小轉換時間為60ns，可實現(xiàn)對電機的三相電壓采樣無需進行相位補償。但由于是單極性的所以對交流采樣時要加提升電路，使交流信號電壓范圍在0V～3V 之間。本系統(tǒng)中使用了3路 A/D 轉換輸入，分別為兩路電流檢測和一路模擬信號輸入采樣。電流檢測就是把交流電機的兩相定子電流轉換成相應的二進制代碼，以方便處理。因為本系統(tǒng)是三相平衡系統(tǒng)IA + IB + IC = 0，因此只要檢測其中兩路電流，就可以得到三相電流。系統(tǒng)中檢測電機定子電流用霍爾電流傳感器，輸入輸出比為200：1。由于霍爾元件輸出的是弱電流信號，因此，應將該電流信號轉換成電壓信號，然后經(jīng)過濾波加法處理，由于霍爾電流傳感器的輸出為有正負方向的電流信號，而 TMS320F2812 片內(nèi)A/D 轉換器為單極性輸入為 0~3V的電壓信號，因此要有電壓偏移電路。為防止電壓過高或者過低，設計了由二極管組成的限幅電路。圖5是實現(xiàn)這一系列目的的電路原理圖。

圖5 電流檢測電路

上述電路最大優(yōu)點是測量精度高，線性度好，可以做到無接觸檢測等。

2.2.3 故障檢測電路

保護電路包括主電路的過流、過電壓和欠電壓以及過載、短路等故障信號，為了保證系統(tǒng)中功率轉換電路及電機驅(qū)動電路安全可靠的工作，TMS320F2812提供了PDPPINT輸入信號，利用它可方便地實現(xiàn)控制系統(tǒng)的各種保護功能。

雖然IPM內(nèi)部集成了功能完善的保護電路，它仍然要求在功率器件發(fā)生故障時撤去驅(qū)動信號。IPM輸出4路故障信號相互“或”后，經(jīng)過低通濾波器，作為DSP的功率器件保護信號。同時，該保護信號控制總線驅(qū)動器，在故障信號有效時立即關閉送往后級的驅(qū)動信號。采用這種雙重保護的設計，系統(tǒng)的可靠性得以進一步提高,其故障檢測電路如圖6所示，圖中W0F、V0F、U0F分別為IPM上橋臂的3路故障輸出信號，且驅(qū)動電源相互隔離；而下橋臂的3路故障信號合成1路 0F。由于IPM 內(nèi)部沒有故障記憶單元，因此外部控制系統(tǒng)需對其故障信號做出處理，并采取相應措施，徹底封鎖IPM的驅(qū)動信號，以保證IPM的安全。圖6的故障檢測模塊完成主回路故障信號采集，并反饋給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)根據(jù)故障狀態(tài)作出判斷，并給出相應的處理方案。

圖6 IPM故障檢測電路

■2.3 系統(tǒng)供電電路設計

本系統(tǒng)供電，選取直流電源作為系統(tǒng)中各個模塊作業(yè)供電工具。為了避免各個模塊之間的供電相互干擾，本系統(tǒng)供電采取相互隔離的方式供電，根據(jù)設備額定電壓情況，分別為其配備供電電路。該設計方案選取LM2576作為電路供電核心芯片，該芯片支持24V轉5V供電，在F2415S-2W設備的共同作用下，實現(xiàn)24V直流電與15V直流電之間的轉換?？紤]到系統(tǒng)硬件電路中其他設備供電需求，本電路中還增加了WRA2412YMD-6W模塊，利用該模型向各設備提供±12V供電。如圖7所示為供電電路。

圖7 供電電路

考慮到部分線路需要分壓，本設計方案選取TMS320 F2812作為控制裝置，將線路供電電壓范圍1.9V和3.3V。其中，控制裝置的核心芯片為TPS767D301，在此芯片的作用下，將供電電壓拆分為兩路，分別為可調(diào)電壓（范圍1.5～5.5V）、固定電壓3.3V。該線路電壓的控制，以調(diào)節(jié)供電順序的方式，切換引腳高電平/低電平。

3 系統(tǒng)測試分析

■3.1 試驗測試環(huán)境

本次系統(tǒng)測試主要是為了檢驗永磁同步電機控制系統(tǒng)功能，按照系統(tǒng)硬件電路設計方案連接硬件設備，搭建電機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)測試在CCSv3.3環(huán)境中開啟。其中，電機作業(yè)功率為1.3kW，電路中連接的電機負載為1.5kW。關于電機的主要參數(shù)設置，包括額定轉速、額定轉矩、額定功率、額定電流和額定電壓，參數(shù)數(shù)值依次為2500r/min、5N?m、1.3kW、5A、220V。

■3.2 試驗測試結果分析

本次試驗中，設定電機的作業(yè)頻率為10kHz，轉速時間間隔設置為1ms，電流與電壓的采樣時間間隔為100sμ。根據(jù)電機作業(yè)環(huán)境需求，分別設置各個調(diào)節(jié)器參數(shù)數(shù)值。另外，給定電機轉速750r? min?1，單相交流電為150V。在定子磁鏈恒定情況下，利用示波器讀取轉速響應、轉矩響應、直流母線電壓、a相電流、穩(wěn)態(tài)a相電流數(shù)據(jù)。

試驗波形顯示，轉速響應上升耗費600ms，穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量都很小，產(chǎn)生的轉矩脈動也比較小。由此可以判斷，系統(tǒng)調(diào)速作業(yè)靜態(tài)性能和動態(tài)性能都很好。另外，相電流波形與正弦規(guī)律相符，且母線電壓輸出波形未出現(xiàn)脈動，滿足穩(wěn)壓控制要求。總體來看，本系統(tǒng)硬件設計方案，符合永磁同步電機控制要求，可以作為電機控制工具。

4 總結

本文圍繞永磁同步電機控制方法展開研究，選擇DSP控制器作為系統(tǒng)開發(fā)工具，嘗試開發(fā)一套電機控制系統(tǒng)硬件設計方案。本系統(tǒng)開發(fā)以主功率電路、信號檢測電路、系統(tǒng)供電電路為主，合理選擇電路控制芯片，并為其搭建硬件電路。綜合考慮系統(tǒng)作業(yè)對電路環(huán)境的要求，本系統(tǒng)添加了KBRC3510整流橋電路、軟啟動等多種電路。測試結果顯示，本系統(tǒng)作業(yè)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量、轉矩脈動較小，并且母線電壓輸出波形較為穩(wěn)定，符合系統(tǒng)開發(fā)要求。