引言

無刷直流電機因其體積小，重量輕，維護方便，高效節(jié)能等一系列優(yōu)點，被廣泛用于各個領(lǐng)域。尤其隨著高性能的單片機和專門用途的DSP（Digital Signal Processor）微處理器和集IGBT模塊及其驅(qū)動和保護于一身的智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）的發(fā)展，使無刷直流電機的位置檢測和換相更加準(zhǔn)確穩(wěn)定。本文以DSP（TMS320LF2407A）作為核心的三相無刷直流電機控制系統(tǒng)為研究對象，采用雙極性PWM（PulseWidth Modulation）控制技術(shù)，利用智能功率模塊IPM（PM50RSAl20），設(shè)計一種電機控制系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，控制性能良好。

1 、三相無刷直流電機控制系統(tǒng)

三相無刷直流電機控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由DSP控制模塊、智能功率模塊和轉(zhuǎn)子位置檢測模塊三大部分構(gòu)成。系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測模塊檢測到的電機位置信號，控制DSP輸出正確的6路PWM脈沖信號，經(jīng)過驅(qū)動電路以控制智能功率模塊中相應(yīng)功率管的通斷，從而實現(xiàn)對電機的正確供電，控制電機正常運行。

2、TMS320LF2407A模塊的介紹

TMS320LF2407A模塊主要由DSP芯片、電源、晶振、外擴RAM和輸出引腳組成。TMS320LF2407A有兩個事件管理器EVA和EVB，每個模塊包括：兩個16位的通用定時器；8個16位的脈寬調(diào)制通道（PWM），他們能夠?qū)崿F(xiàn)三相反相器控制，能捕獲位置信號，可產(chǎn)生可調(diào)死區(qū)的各種PWM波。該模塊在本控制系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)著重要的控制角色。

DSP硬件的調(diào)試不但需要示波器等傳統(tǒng)的儀器，還需要專門的仿真套件，本文使用的是XDS510仿真器，該仿真器包括一個PC插卡和一個JTAG接口，通過該接口可以訪問DSP芯片的所有資源，而且同時可以設(shè)置斷點、單步執(zhí)行等，以檢驗和調(diào)試所設(shè)計的目標(biāo)電路是否正確。

3 、基于IPM控制電路的設(shè)計

智能功率模塊IPM由高速、低功率的IGBT和優(yōu)選的門級驅(qū)動及保護電路構(gòu)成。雖然IPM雖有諸多優(yōu)點，但其內(nèi)部電路不含有防止干擾的信號隔離電路、自保護功能和浪涌吸收電路，為保證IPM安全可靠，需要設(shè)計這部分電路。

3．1 IPM外部驅(qū)動電路的設(shè)計

IPM功率驅(qū)動電路如圖2所示。為了保證強電部分和弱電部分電路的電氣隔離，需將控制部分和驅(qū)動部分相互隔離。來自DSP的6路PWM信號經(jīng)電阻限流后經(jīng)高速光耦隔離并放大后接IPM內(nèi)部驅(qū)動電路以控制相應(yīng)開關(guān)管工作。IPM的故障信號也需隔離之后送到DSP。UFO、VFO、WFO、FO分別為IPM內(nèi)部的上橋臂三路故障輸出信號和下橋臂一路故障輸出信號。這些內(nèi)部故障信號經(jīng)光耦PC817轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的故障輸出信號F01、F02、F03和F04。

IPM用的隔離光耦要求上升沿延時tPLH《0．8μs，下降沿延時tPLH tPHL《0．8 μ s，共模抑制比CMR》10kV／μs，因此選用HCPL4504型高速光耦，且為了提高光耦的轉(zhuǎn)換速度，在光耦輸入端接1只0．1 μ F的退耦電容。

3．1．1 一路上橋臂驅(qū)動電路

以圖2中其中一路上橋臂為例來說明驅(qū)動電路工作原理，其中VUPI為電源+15V， VUPC為電源地，UP為驅(qū)動控制信號的輸入端。由DSP輸出的一路上橋臂PWM信號和VCC分別接高速光藕HCPL4504的3、2管腳，當(dāng)PWM信號為低電平時，HCPL4504的5、6將會導(dǎo)通，從而使控制信號輸入IPM模塊UP端，控制相應(yīng)橋臂的IGBT導(dǎo)通。其中每個開關(guān)管的控制電源端采用獨立隔離的穩(wěn)壓15V電源，且接1只10 μ F的退耦電容器以濾去共模噪聲。R15根據(jù)HCPL4504光耦輸入電流要求（25mA）選取為200 Ω。R16根據(jù)IPM驅(qū)動電流選取，且盡可能小以避免高阻抗IPM拾取噪聲，另一方面又要足夠可靠地控制IPM，本系統(tǒng)選為4．7k Ω。C9為2號端與地間的0．1 μF濾波電容（上橋臂其它兩路連接電路與其類似）。

一般IPM需用四路獨立電源來防止內(nèi)部上下橋路發(fā)生直通短路，其中上橋臂每個IGBT需要一個單獨的隔離電源供電，共需3組；而下橋臂3個IGBT共用l組隔離電源供電。

3．1．2 三路下橋臂驅(qū)動電路

圖2中IPM模塊的三路下橋臂可由一路公共電源統(tǒng)一供電，VNI與VNC分別接電源的+15V與地。由DSP產(chǎn)生的三路PWM2、PWM4、PWM6信號輸入IPM的UN，VN，WN端，分別控制其下橋臂對應(yīng)的IGBT開關(guān)管的通斷。

3．2 IPM緩沖電路設(shè)計

由于IPM在高頻開關(guān)過程和功率回路寄生電感等疊加產(chǎn)生的di／dt，dv／dt和瞬時功耗，給器件以較大的沖擊，易損壞器件。設(shè)置緩沖電路（即吸收電路）就是改變器件的開關(guān)軌跡，控制各種瞬態(tài)過電壓，降低器件開關(guān)損耗，保護器件安全運行。

圖3為常用的大功率IPM緩沖電路。R，C，VD值的選取原則為：一般電阻電容值按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取，如PM200DSA060電容值為0．47～2 μ F，耐壓值是IGBT的1．1～1．5倍，電阻值10～20Ω，電阻功率為

式中：f為IGBT工作頻率；U為IGBT工作峰值電壓；C為緩沖電路與電阻串聯(lián)的電容。但RC時間常數(shù)應(yīng)設(shè)計為開關(guān)周期的1／3，即τ=T/3＝1／（3f）。二極管選用快恢復(fù)二極管。為保證緩沖電路的可靠性，可以根據(jù)功率大小選擇已封裝好的如圖3所示的專用緩沖電路。

3．3 IPM的保護電路

在以DSP芯片為核心的控制系統(tǒng)中，利用DSP事件管理器中功率驅(qū)動保護引腳（PDPINT）中斷實現(xiàn)對IPM的保護。通常1個事件管理器產(chǎn)生的多路PWM可控制多個IPM工作，其中每個開關(guān)管均可輸出FO信號。圖4為IPM模塊故障信號輸出原理圖。三路上橋臂的故障信號和一路下橋臂的故障信號經(jīng)過一個7407的OC門之后再經(jīng)過一個上拉電阻就可直接輸入DSP的PDPINT引腳。正常工作時，所有的FO信號均為高電平，從而PDDPINT也為高電平，一旦任何一路橋臂有故障發(fā)生，則PDPINT變?yōu)榈碗娖?，從而觸發(fā)DSP的電源保護中斷，使其所有的PWM輸出引腳均呈高阻狀態(tài)，起到對IPM模塊的保護作用。

4 、檢測模塊的設(shè)計

4．1 位置檢測和速度計算

位置檢測不但用于換相，而且還用于產(chǎn)生速度控制量。本系統(tǒng)的位置信號是通過3個霍爾傳感器得到，每個霍爾傳感器都會產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號。3個霍爾傳感器的輸出信號互差120°相位差。這樣在每個機械轉(zhuǎn)中共有6個上升或下降沿，正好對應(yīng)著6個換相時刻。將DSP設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，就能獲得這6個時刻，再通過DSP的捕捉口檢測電平狀態(tài)，就可以判斷是哪個霍爾傳感器的什么沿觸發(fā)的捕捉中斷，確定了換相信息，就可以實現(xiàn)正確換相。位置信號還可以用于產(chǎn)生速度控制量，每個機械轉(zhuǎn)有6次換相，測得兩次換相的時間間隔，就可以計算出兩次換相間隔間的平均角速度。

4．2 電流檢測

電流檢測電路由霍爾元件、運算放大器和DSP內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器組成。由于輸出電流信號較弱，需用同相放大器放大。對于三相電機，電流采樣只需在電機三相繞組的任意兩相上安裝兩個霍爾元件，來檢測電流信號。由于存在下列關(guān)系式：ia+ib+ic=0，因此只需檢測任意兩相的電流值，就可得到另外一相的電流值。在每個PWM周期對電流采樣一次，采樣時刻應(yīng)在PWM周期的“開”期間中部，通過DSP定時器啟動ADC轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)。

5 、軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用DSP的匯編語言編程，并進行了模塊化設(shè)計。軟件主要包括：主程序，初始化子程序、捕捉中斷子程序，A／D轉(zhuǎn)換子程序，顯示子程序等。其中主程序如圖5所示，主要實現(xiàn)以下功能。

1）系統(tǒng)初始化程序：主要是對DSP，芯片TMS320LF2407A的某些系統(tǒng)控制寄存器和IO功能進行設(shè)置：如時鐘倍頻，一些管腳定義為輸入IO還是基本功能管腳。

2）變量初始化：該部分對使用到的常量賦值，并對一些需要初始值的變量賦初值。

3）液晶顯示初始化：該部分主要完成對顯示器件JM1602C的初始化設(shè)置，如清顯示、輸入模式、光標(biāo)位置等。

4）設(shè)置參考轉(zhuǎn)速子程序：該部分調(diào)用鍵盤程序設(shè)定參考轉(zhuǎn)速，調(diào)用顯示程序顯示設(shè)置的參考轉(zhuǎn)速。

5）讀取位置信號：為了獲得位置信號，只要調(diào)用一次捕捉中斷服務(wù)程序，并可對電機進行啟動。

6）調(diào)速并實時顯示轉(zhuǎn)速：程序?qū)⒃谶@里等待中斷，當(dāng)有中斷產(chǎn)生時，系統(tǒng)響應(yīng)中斷程序，當(dāng)在等待中斷時，根據(jù)定時器T1控制是否刷新顯示。

6 、實驗及結(jié)論

應(yīng)用以上硬件電路，筆者完成了電機參數(shù)為額定功率lOOW，額定電壓220V，額定電流0．5A，額定轉(zhuǎn)速1500 r／mi n，用示波器測量其中一相波形實驗，波形如圖6所示。圖6b是轉(zhuǎn)速在100r／min的U相電壓，圖6a是1000r／min時的U相電壓，探頭均衰減1 0倍。實驗結(jié)果表明：用DSP（TMS320LF2407A）為主控芯片，以IPM（PM50RSAl20）為功率驅(qū)動電路，設(shè)計的三相無刷直流電機的啟動和穩(wěn)速控制系統(tǒng)方案可行，系統(tǒng)安全可靠、簡單實用。

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