基于雙DSP的無(wú)刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

摘要：根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)理論和系統(tǒng)的要求，以雙TMS320F2812  DSP處理器為核心，針對(duì)系統(tǒng)的高可靠性要求，進(jìn)行了無(wú)刷直流電機(jī)控制器的硬件電路設(shè)計(jì)并對(duì)核心電路進(jìn)行分析、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;結(jié)果表明，該硬件電路可實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)正常調(diào)速的控制需求，相應(yīng)性能指標(biāo)可滿足系統(tǒng)需求。

0 引言

無(wú)刷直流電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱BLDCM)用電子換相器取代機(jī)械換向器，根除了電刷和換向器接觸磨損所導(dǎo)致的壽命周期短、電氣絕緣低、火花干擾強(qiáng)等諸多缺陷;同時(shí)永磁材料的高磁性能使無(wú)刷直流電機(jī)具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

由于本系統(tǒng)有較高的可靠性要求，因此總體設(shè)計(jì)思路是采用主控、監(jiān)控雙DSP系統(tǒng)架構(gòu)滿足控制器的高可靠性要求;三相功率逆變器選用三菱公司的第五代智能功率模塊PM15  0CLA120為核心，采用光耦HCPL4506進(jìn)行門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離;采用多傳感器進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)并通過(guò)轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制策略進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速精確控制，從而滿足系統(tǒng)對(duì)無(wú)刷電機(jī)控制器的高可靠性運(yùn)行和精確的轉(zhuǎn)速控制以及寬范圍轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等控制要求。

1 系統(tǒng)組成

BLDCM控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，控制器通過(guò)RS422與上位機(jī)進(jìn)行通信;無(wú)刷電機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn);采用旋轉(zhuǎn)變壓器傳感器作為BLDCM的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速反饋元件。

控制器采用高性能的數(shù)字信號(hào)處理器作為控制核心，其中主控DSP完成無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制，滿足無(wú)刷電機(jī)具有調(diào)速范圍寬、控制精度高的要求;監(jiān)控DSP完成系統(tǒng)溫度、電流、電壓、轉(zhuǎn)速等狀態(tài)監(jiān)控，通過(guò)傳感器檢測(cè)冗余(數(shù)量冗余、類(lèi)型冗余、位置冗余)設(shè)置，既可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的精確測(cè)量和控制策略的精細(xì)化操作，還可以確定功率開(kāi)關(guān)及電機(jī)三相繞組故障狀態(tài)。監(jiān)控DSP和主控DSP通過(guò)雙口RAM(DPRAM)快速進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，便于控制系統(tǒng)工作。

2 各模塊設(shè)計(jì)

2.1 雙DSP設(shè)計(jì)

控制器選用的TMS320F2812是美國(guó)TJ公司推出的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，專門(mén)針對(duì)電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制。主控DSP具備6路PWM  輸出模塊、功率驅(qū)動(dòng)及逆變模塊、旋變位置傳感器激勵(lì)及解算模塊、模擬量轉(zhuǎn)換模塊、SCI通信等主要模塊，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算能力;監(jiān)控DSP進(jìn)行模擬信號(hào)采集、外部通訊、系統(tǒng)運(yùn)行工況監(jiān)控等非實(shí)時(shí)信息處理。

由于DSP嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)在于高速數(shù)據(jù)處理，因此實(shí)現(xiàn)主DSP與從DSP之間的數(shù)據(jù)通信成為主從式硬件系統(tǒng)的一個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵。本系統(tǒng)利用DPRAM作為共享存儲(chǔ)器進(jìn)行通信，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，可靠性高，數(shù)據(jù)傳輸效率高，接口電路簡(jiǎn)單。DPRAM的每個(gè)端口都有各自的數(shù)據(jù)、地址、控制總線，允許處理器對(duì)存儲(chǔ)器的任何地址執(zhí)行隨機(jī)讀寫(xiě)操作。DPRAM與兩個(gè)DSP之間的硬件連接關(guān)系如圖2所示。

2.2 功率逆變電路及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)控制器負(fù)載需求及功率開(kāi)關(guān)器件的應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)計(jì)選用三菱公司第五代智能功率模塊PM150CLA120(以下簡(jiǎn)稱IPM)為功率逆變電路，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為耐壓1200V、最大負(fù)載電流150A;該IPM模塊內(nèi)部集成了6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管逆變電路、優(yōu)化門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路，其內(nèi)部框圖如圖3所示并其具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：1)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通壓降低、開(kāi)關(guān)損耗低;2)集成過(guò)流、過(guò)熱、欠壓等保護(hù)功能;3)內(nèi)置自舉電路實(shí)現(xiàn)單電源供電;4)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)抑制浪涌、噪聲等引起的干擾問(wèn)題。

主控DSP輸出6路PWM信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)功率逆變電路過(guò)程中，為防止控制信號(hào)受功率驅(qū)動(dòng)電路的干擾，采用“光耦+隔離電源”的方式用于逆變橋功率開(kāi)關(guān)的門(mén)極驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)使用光耦HCPL4506作為隔離驅(qū)動(dòng)電路的核心芯片，其最大驅(qū)動(dòng)電流2.5A，可滿足功率模塊PM150CLA120的驅(qū)動(dòng)電流要求;原副邊之間瞬態(tài)隔離電壓10kV/μs，可以確保各功率開(kāi)關(guān)之間的隔離強(qiáng)度;使用隔離電源DC/DC模塊PWF2415D作為IGBT功率開(kāi)關(guān)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電源，隔離強(qiáng)度為1500VAC，同時(shí)具有輸出短路保護(hù)(自恢復(fù))功能。

2.3 電流采樣設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用隔離型電流傳感器GCBC100進(jìn)行電流采樣，其靈敏度為40mV/A，非線性度為±1%，符合控制系統(tǒng)的精度要求。采樣電路將電流傳感器輸出電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器及濾波電路，轉(zhuǎn)換為DSP的AD通道能夠接收的電壓范圍(0～3.3V)，使控制器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電流的變化，進(jìn)行電流環(huán)  PID調(diào)節(jié)。

2.4 旋變解算

旋變解算芯片采用AD公司的AD2S82A芯片，其可以將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字位置信號(hào)，而且同時(shí)還可以得到高精度的速度信號(hào)，能夠很好地滿足位置及速度反饋信號(hào)的要求。并設(shè)置為12位解算精度，對(duì)應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換速度最高可達(dá)15600r/min，滿足設(shè)計(jì)要求;使用由運(yùn)算放大器、電阻和電容構(gòu)成的文氏橋正弦波激勵(lì)發(fā)生電路產(chǎn)生旋變激勵(lì)信號(hào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。

AD2S82A內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正、余弦信號(hào)經(jīng)濾波、放大后輸入至AD2S82A的sin和cos引腳，在合適的外圍配置電路配合下，AD2S82A即可完成12位數(shù)字量輸出。AD2S82外圍配置電路由電阻和電容構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)引腳電平上拉、下拉、高頻濾波、增益設(shè)定、最大跟蹤速率設(shè)定和閉環(huán)帶寬等設(shè)定功能，設(shè)計(jì)嚴(yán)格參考相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)及相關(guān)軟件進(jìn)行選取，保證AD2S82能夠可靠工作。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 旋變解算試驗(yàn)

圖5為無(wú)刷電機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器(RVDT)的激勵(lì)信號(hào)、正弦輸出信號(hào)和余弦輸出信號(hào)的測(cè)試波形，從圖中可以看出兩路輸出信號(hào)正交，輸出信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)重合，未出現(xiàn)相位偏移現(xiàn)象。輸出信號(hào)經(jīng)旋變結(jié)算芯片AD2S82A解算輸出12位數(shù)字量(0～8191對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子位置角度0～360°)，DSP使用數(shù)據(jù)總線在PWM中斷程序中連續(xù)4次讀取RVDT的解算信號(hào)如圖6所示。以上分析可知，RVDT解算電路實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的解算，能夠準(zhǔn)確的反映電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置，為電機(jī)調(diào)速控制提高可靠的硬件基礎(chǔ)。

3.2 PWM驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)

主控DSP輸出的PWM信號(hào)為控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵控制信號(hào)之一，控制IPM中IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，根據(jù)調(diào)壓調(diào)速的原理調(diào)節(jié)無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速。  IPM上下橋臂IGBT采取互補(bǔ)模式工作，當(dāng)上下橋臂IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，為防止發(fā)生直通而導(dǎo)致短路，必須在PWM信號(hào)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)設(shè)置死區(qū)時(shí)間;本文設(shè)定的死區(qū)時(shí)間為1μs，PWM死區(qū)時(shí)間測(cè)定波形如圖7所示。兩相上下橋臂IGBT開(kāi)關(guān)控制波形如圖8所示，采用中心對(duì)稱模式的PWM控制，斬波頻率為15kHz時(shí)，電機(jī)繞組電壓通斷頻率為PWM斬波頻率的兩倍，即為30kHz，可有效減小無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

由于功率逆變電路采用三相全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為保證電機(jī)出力最大，功率逆變電路橋臂輸出的電壓應(yīng)與對(duì)應(yīng)的無(wú)刷直流電機(jī)繞組反電動(dòng)勢(shì)保持適當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)系。圖  9是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)值進(jìn)行軟件調(diào)整后、功率逆變電路輸出的A相電壓與無(wú)刷直流電機(jī)A相繞組的反電勢(shì)波形，兩者過(guò)零點(diǎn)對(duì)齊，逆變電路橋臂輸出的電壓波形接近正弦波，滿足采用PWM方式驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的供電要求。

3.3 三相繞組電流測(cè)試

圖10為無(wú)刷電機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，上位機(jī)調(diào)試平臺(tái)觀測(cè)到的兩相繞組電流波形ia、ib(ic=-ia-ib為減少數(shù)據(jù)量，ic未進(jìn)行顯示)。為方便調(diào)試，DSP定時(shí)將需要觀察的變量上傳到上位機(jī)調(diào)試平臺(tái)，調(diào)試平臺(tái)把上傳的數(shù)據(jù)繪制成曲線。圖中縱坐標(biāo)為信號(hào)幅值對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值，橫坐標(biāo)為上傳點(diǎn)數(shù)。試驗(yàn)表明電流采樣電路能夠真實(shí)的反映電機(jī)繞組實(shí)際電流值，硬件設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)論

本文是基于雙TMS320F2812  DSP處理器為核心，進(jìn)行無(wú)刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)，利用主控DSP進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制、利用監(jiān)控DSP對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控，以提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。對(duì)核心硬件電路進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明控制器硬件電路設(shè)計(jì)能夠?yàn)檐浖O(shè)計(jì)提供可靠的平臺(tái)。