直流無刷電機控制器的硬件設計

隨著電力電子技術，新的永磁材料以及具有快速運算能力的DSP（數(shù)字信號處理器）的發(fā)展，直流無刷電機應用日益普及。直流無刷電機具有和直流電機相似的優(yōu)良調速性能，又克服了直流電機采用機械式換向裝置所引起的換向火花、可靠性低等缺點，且具有體積小、重量輕、效率高、電機的形狀和尺寸靈活等優(yōu)點，因此廣泛應用在伺服系統(tǒng)、數(shù)控機床、電動車輛和家用電器各領域，成為現(xiàn)代伺服技術的主方向。

本文的主要內容是基于DSP芯片MC56F8323的直流無刷電機控制器的硬件設計。主要包括電流環(huán)、速度位置環(huán)和IPM（智能功率模塊）驅動電路的硬件設計。

2 控制器系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件框架設計

MC56F8323是FREESCALE（飛思卡爾）半導體公司56800E系列的一款DSP芯片，內置FLASH，在核心頻率為60MHz下運算速度可達到60MIPS（Million Instruction Per Second，每秒百萬條指令）。它所提供的大部分指令（包括乘法指令）均為單機器周期指令，且指令使用靈活、方便，具備進行復雜計算（如矢量運算）的能力；3.3V供電，兼容5V輸入；最多可達27個通用I/O口，且每一個I/O口均可配置為中斷輸入和配置為集電極開路輸出，增大驅動負載能力。

這款DSP芯片是專門面向運動控制應用的數(shù)字信號處理器，其上包括了電機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)場總線模塊。因此只需很少的系統(tǒng)元件就可以組成一個完整的伺服系統(tǒng)。其典型應用硬件電路框圖如圖1所示。需要特別指出的是其內部帶有PWM模塊，特別適用于電機控制。PWM模塊有6個輸出通道，從PWM0到PWM5，可以配置為3對互補的PWM信號或6個獨立的PWM信號，在互補通道下允許可編程的死區(qū)時間插入，通過電流狀態(tài)輸入或軟件獨立的頂/底通道脈寬校正和獨立的頂部、底部通道極性控制。

圖1 控制器硬件框圖

由DSP內置的PWM模塊產(chǎn)生六路PWM信號直接輸入IPM模塊，驅動電機。在控制算法中需要電機運行時的相電流，由兩個電流傳感器將電流信號轉換為電壓信號輸入DSP內置的AD模塊，該AD模塊有兩個獨立的轉換器，可以保證采集到的相電流是同時的。電機的轉速和位置的測量由外置的光電編碼器完成，由編碼器產(chǎn)生的兩路正交信號輸入DSP內置的正交編碼模塊，就可由DSP計算電機的轉速和位置。人機接口通過DSP內置的SCI、SPI和CAN現(xiàn)場總線模塊完成對電機各種參數(shù)的設定，同時監(jiān)視電機的運行狀況。

2.2 電流環(huán)的設計

在直流無刷電機控制系統(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定子的三相相電流。

電流環(huán)主要是完成DSP對電機相電流的檢測，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LEM（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、低溫漂和反應時間快等特點，測量范圍靈活，可配置為從-3A～+3A、-6A～+6A和-19.2A～+19.2A，非常適用于電機的電流檢測。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)在很多的電路設計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作為采樣信號。這種檢測方法非常簡單和便宜，但是很難做到電阻值穩(wěn)定不變，采樣精度不高，不能提供準確的電流值。而且反饋控制電路與主電路沒有隔離，萬一功率電路的高電壓通過反饋電路進入控制電路，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)射極開路，就不能實現(xiàn)使用電阻器進行相電流的測量。因此給出通用的解決方案。

電流傳感器輸出電壓為模擬量，必須要將模擬量轉換為數(shù)字量，DSP才能使用。MC56F8323帶有AD數(shù)模轉換器，其內部有兩個獨立的轉換器（許多DSP芯片是不具備的），轉換精度為12位，轉換速度最快為每次同時掃描只需要5.3?s。ADC模塊最大時鐘頻率為5MHz，每個時鐘周期為200ns。第一個采樣需要8.5個ADC時鐘，以后每個采樣需要6個ADC時鐘，同時掃描采樣一共需要4個采樣，一共花26.5個時鐘周期，需要5.3us（26.5×200ns=5.3?s）。若采用同時掃描方式，由于內部有兩個獨立AD轉換器可以同時對兩路信號進行采樣，這就可以保證采集到的兩路相電流是同時的，且ADC采樣可以通過同步信號和PWM信號同步。

2.3 速度位置環(huán)的設計

速度位置環(huán)在電機控制中具有非常重要的作用，其檢測到的精確性直接反應到對電機控制的精度。速度的測量方法有多種，如測速發(fā)電機、感應式轉速傳感器、霍爾轉速傳感器、光電式轉速傳感器以及旋轉變壓器式轉速傳感器等。但目前調速系統(tǒng)速度和位置反饋控制中應用較多的還是增量式光電編碼器，它不僅可以檢測電動機轉速，還可以測定電動機的轉向及轉子相對于定子的位置。其結構圖如圖3所示。

圖3 光電編碼器結構圖