基于DSP的直流無刷電機控制器的硬件設(shè)計

1、基于 DSP 的直流無刷電機控制器的硬件設(shè)計隨著電力電子技術(shù),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(yīng)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(diào)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(yīng)用在 伺 服 系統(tǒng) 、數(shù) 控 機 床 、電 動車輛 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的直流無刷 電機 控制 器的 硬件設(shè)計 。 主要包括 電流 環(huán) 、 速 度位 置 環(huán)

2、 和 IPM (智 能 功 率 模塊 驅(qū)動 電 路 的 硬件設(shè)計 。2 控制 器 系統(tǒng)設(shè)計2.1 系統(tǒng)硬件框架設(shè)計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 運算速 度 可 達(dá)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(jìn)行復(fù)雜計 算(如矢 量運算的能力 ; 3.3V 供 電, 兼容 5V 輸入;

3、最 多 可 達(dá) 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(qū)動 負(fù)載 能力。這 款 DSP 芯片是 專門面 向運 動控制 應(yīng)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(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

4、 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(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 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

5、 器 硬件框 圖由 DSP 內(nèi) 置的 PWM 模塊 產(chǎn)生六 路 PWM 信號直 接 輸入 IPM 模塊 , 驅(qū)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(zhuǎn) 換 為 電 壓 信號 輸入 DSP 內(nèi) 置的 AD 模塊 , 該 AD 模塊 有 兩個獨立 的 轉(zhuǎn) 換器, 可以 保證 采 集 到 的相電流 是 同時 的。 電機的 轉(zhuǎn) 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(nèi) 置的 正交編碼 模塊 , 就 可 由 DSP 計 算電機的 轉(zhuǎn) 速和 位 置。

6、人 機 接口通過 DSP 內(nèi) 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(shè) 定 , 同時 監(jiān)視 電機的運 行 狀 況 。2.2 電流 環(huán) 的 設(shè)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

7、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(shè)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

8、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(zhǔn)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(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 路 , 就 不 能 實 現(xiàn)使 用電 阻 器 進(jìn)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

9、 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 兩個獨立 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 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

10、(26.5×200ns=5.3?s 。 若 采用 同時 掃描 方 式, 由 于內(nèi)部 有 兩個獨立 AD 轉(zhuǎn) 換器可以 同時對兩 路 信號 進(jìn)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(shè)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(yīng) 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(yīng)式 轉(zhuǎn) 速 傳感 器 、 霍 爾 轉(zhuǎn) 速 傳感 器

11、、 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 電 動 機 轉(zhuǎn) 速, 還 可以 測 定 電 動 機的 轉(zhuǎn) 向及 轉(zhuǎn) 子相 對 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) 圖光 電 編碼 器的 工作原 理 為 :在 刻 度 盤 上 均 勻 分 布 一 定 數(shù)量的小 孔 ,有 光 透 過時產(chǎn)生 邏輯“ 1” 信號, 沒 有 透 光時產(chǎn)生 邏輯“ 0” 信號, 這 樣 從光 敏 傳感 器

12、 就 可以 產(chǎn)生 A 、 B 兩 路 相 位 相 差 90度 的 正交 信號。MC56F8323內(nèi)部 帶 有 正交編碼 模塊 (quadrature decoder , 從編碼 器 輸 出 的 正交 信號 輸入 DSP 的 PHASEA 腳 和 PHASEB 腳 , 內(nèi)部 的 正交編碼 模塊 將 信號 進(jìn)行 四倍 頻 , 再 由 位 置 計 數(shù)器 計 數(shù) 從 而 可以 確定 轉(zhuǎn) 子的速 度 和 位 置。 如 果 PHASEA 信號的相 位領(lǐng) 先 于 PHASEB 信號, 那么 運 動方 向 為 正 向, 落 后 則 為 負(fù) 向。 其正交 信號 檢 測時 序 如 圖 4所 示 。 圖 4 正交

13、信號 檢 測時 序 圖MC56F8323正交編碼 模塊 具有 如下 特 點 :PHASEA 和 PHASEB 的 輸入 信號 首先 必須 通過 一 個 干擾 信號 濾波 器, 該 濾波 器可以數(shù)字 延 時 , 可以 濾除毛刺 , 保證只 有 真 正 的信號 才 進(jìn)行計 數(shù)。 同時對 于 只 用 單 個 信號的 控制 , 均 可 配 置 為單 個 的 脈 沖 計 數(shù)。對 于一 個 高速 轉(zhuǎn) 軸 編碼 器, 轉(zhuǎn) 軸 速 度 可以 通過 計 算 每單位 時間 內(nèi)位 置 計 數(shù)器的 變 化 值 來 得 到 。 對 于 低速電機, 由 于輸入 PHASEA 和 PHASEB 與通 用 定 時 器相 連

14、均 可 作 為輸入 捕捉 引 腳 , 可以 利 用 定 時 器 測 量 正交 相 位 之 間 的 時間 周期 來 得 到 高 分 辨 率的速 度 測 量。 定 時 器 模塊 利 用 一 個 16位 的 計 數(shù)器, 通過對總線時 鐘 的 分頻 來 計 數(shù), 40MHz 的 總線時 鐘 頻 率 最大 可以 得 到 102ms 的 計 數(shù) 周期 。 對 于一 個 1000齒 的 編碼 器 來說 , 通過 利 用 定 時 器 測 量速 度 可 以 精確 測 量 到 0.15轉(zhuǎn) 每分 。2.4 IPM驅(qū)動 電 路設(shè)計IPM(智 能 功 率 模塊 驅(qū)動 電 路主要 完 成 對 DSP 芯片 產(chǎn)生 的 六

15、路 PWM 信號的 功 率 放 大 , 驅(qū)動內(nèi)部 的 功 率 管 從 而實 現(xiàn) 對 電機的 驅(qū)動 。IRAMS16UP60A PlugNDriveTM 集 成 電 源 模塊 (IPM 是 IR 公司 iMOTION 集 成設(shè)計 平臺 系列 的 產(chǎn) 品 , 它 除 了 將 6個 高 壓 功 率 晶 體 管 和 驅(qū)動芯片 IR2136等電 路 集 成 在 一 個 小 型 絕緣封 裝 外 , 還 具有 過 熱 、 過 流、 欠 壓 和 內(nèi) 置 死 區(qū) 控制 防止 高 端 IGBT (絕緣柵雙 極 晶 體 管 和 底 端 IGBT 短 路 等 保 護 功 能, 以 確 保 操 作安全 以及 系統(tǒng) 可靠。 此 外 , 它 還 能 夠 由 一 個 +15V直流電 源來 提供 工作 電 壓 ,可以 簡 化 其 在電機 驅(qū)動 應(yīng)用 中 的 使 用, 并 由 此 加 速 最 終 產(chǎn) 品 的 開 發(fā)。 其典型 應(yīng)用電 路 圖 如 圖 5所 示 。 圖 5 IPM典型 應(yīng)用 原 理 圖與 分 立元 件 相 比 , 模塊 除 了具有 眾 所 周 知 的優(yōu)點(更 小、 更 可靠、可 視 為單一 元 件 外 , IRAMS16UP60A 模 塊 還 使設(shè)計 者避免 了在 IGBT 逆變 器 設(shè)計 中 常 遇 到 的 幾 個 問題 :? 模塊 具有 很 低