直流無(wú)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(wú)刷電機(jī)應(yīng)用日益普及。直流無(wú)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(wú)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(wàn)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(kāi)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(guò)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(guò)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(wú)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(méi)有隔離，萬(wàn)一功率電路的高電壓通過(guò)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(kāi)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(guò)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