無(wú)刷直流電機控制器硬件設計和實(shí)現

0 引言

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

由于本系統有較高的可靠性要求，因此總體設計思路是采用主控、監控雙DSP系統架構滿(mǎn)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)極驅動(dòng)信號隔離;采用多傳感器進(jìn)行系統狀態(tài)監測并通過(guò)轉速和電流雙閉環(huán)控制策略進(jìn)行電機轉速精確控制，從而滿(mǎn)足系統對無(wú)刷電機控制器的高可靠性運行和精確的轉速控制以及寬范圍轉速調節等控制要求。

1 系統組成

BLDCM控制系統原理框圖如圖1所示，控制器通過(guò)RS422與上位機進(jìn)行通信;無(wú)刷電機通過(guò)機械傳動(dòng)裝置驅動(dòng)系統運轉;采用旋轉變壓器傳感器作為BLDCM的轉子位置和轉速反饋元件。

控制器采用高性能的數字信號處理器作為控制核心，其中主控DSP完成無(wú)刷直流電機的轉速和電流雙閉環(huán)控制，滿(mǎn)足無(wú)刷電機具有調速范圍寬、控制精度高的要求;監控DSP完成系統溫度、電流、電壓、轉速等狀態(tài)監控，通過(guò)傳感器檢測冗余(數量冗余、類(lèi)型冗余、位置冗余)設置，既可以實(shí)現關(guān)鍵參數的精確測量和控制策略的精細化操作，還可以確定功率開(kāi)關(guān)及電機三相繞組故障狀態(tài)。監控DSP和主控DSP通過(guò)雙口RAM(DPRAM)快速進(jìn)行數據交換，便于控制系統工作。

2 各模塊設計

2.1 雙DSP設計

控制器選用的TMS320F2812是美國TJ公司推出的32位定點(diǎn)數字信號處理器，專(zhuān)門(mén)針對電機和運動(dòng)控制。主控DSP具備6路PWM 輸出模塊、功率驅動(dòng)及逆變模塊、旋變位置傳感器激勵及解算模塊、模擬量轉換模塊、SCI通信等主要模塊，具有很強的實(shí)時(shí)數據運算能力;監控DSP進(jìn)行模擬信號采集、外部通訊、系統運行工況監控等非實(shí)時(shí)信息處理。

由于DSP嵌入式系統的特點(diǎn)在于高速數據處理，因此實(shí)現主DSP與從DSP之間的數據通信成為主從式硬件系統的一個(gè)設計關(guān)鍵。本系統利用DPRAM作為共享存儲器進(jìn)行通信，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，可靠性高，數據傳輸效率高，接口電路簡(jiǎn)單。DPRAM的每個(gè)端口都有各自的數據、地址、控制總線(xiàn)，允許處理器對存儲器的任何地址執行隨機讀寫(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 功率逆變電路及驅動(dòng)設計

根據控制器負載需求及功率開(kāi)關(guān)器件的應用場(chǎng)合，設計選用三菱公司第五代智能功率模塊PM150CLA120(以下簡(jiǎn)稱(chēng)IPM)為功率逆變電路，其主要設計參數為耐壓1200V、最大負載電流150A;該IPM模塊內部集成了6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管逆變電路、優(yōu)化門(mén)極驅動(dòng)電路以及快速保護電路，其內部框圖如圖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、欠壓等保護功能;3)內置自舉電路實(shí)現單電源供電;4)采用優(yōu)化設計抑制浪涌、噪聲等引起的干擾問(wèn)題。

主控DSP輸出6路PWM信號用于驅動(dòng)功率逆變電路過(guò)程中，為防止控制信號受功率驅動(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)極驅動(dòng)。設計使用光耦HCPL4506作為隔離驅動(dòng)電路的核心芯片，其最大驅動(dòng)電流2.5A，可滿(mǎn)足功率模塊PM150CLA120的驅動(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)極驅動(dòng)電源，隔離強度為1500VAC，同時(shí)具有輸出短路保護(自恢復)功能。

2.3 電流采樣設計

控制系統設計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(xiàn)性度為±1%，符合控制系統的精度要求。采樣電路將電流傳感器輸出電壓信號，經(jīng)過(guò)運算放大器及濾波電路，轉換為DSP的AD通道能夠接收的電壓范圍(0～3.3V)，使控制器能夠實(shí)時(shí)監控電流的變化，進(jìn)行電流環(huán) PID調節。

2.4 旋變解算

旋變解算芯片采用AD公司的AD2S82A芯片，其可以將旋轉變壓器輸出的模擬位置信號轉換成數字位置信號，而且同時(shí)還可以得到高精度的速度信號，能夠很好地滿(mǎn)足位置及速度反饋信號的要求。并設置為12位解算精度，對應跟蹤轉換速度最高可達15600r/min，滿(mǎn)足設計要求;使用由運算放大器、電阻和電容構成的文氏橋正弦波激勵發(fā)生電路產(chǎn)生旋變激勵信號，結構簡(jiǎn)單，可靠性高。

AD2S82A內部結構如圖4所示。旋轉變壓器輸出的正、余弦信號經(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位數字量輸出。AD2S82外圍配置電路由電阻和電容構成，以實(shí)現引腳電平上拉、下拉、高頻濾波、增益設定、最大跟蹤速率設定和閉環(huán)帶寬等設定功能，設計嚴格參考相應的數據手冊及相關(guān)軟件進(jìn)行選取，保證AD2S82能夠可靠工作。

3 試驗驗證

3.1 旋變解算試驗

圖5為無(wú)刷電機勻速旋轉時(shí)旋轉變壓器(RVDT)的激勵信號、正弦輸出信號和余弦輸出信號的測試波形，從圖中可以看出兩路輸出信號正交，輸出信號與激勵信號過(guò)零點(diǎn)重合，未出現相位偏移現象。輸出信號經(jīng)旋變結算芯片AD2S82A解算輸出12位數字量(0～8191對應轉子位置角度0～360°)，DSP使用數據總線(xiàn)在PWM中斷程序中連續4次讀取RVDT的解算信號如圖6所示。以上分析可知，RVDT解算電路實(shí)現了無(wú)刷電機轉子位置的解算，能夠準確的反映電機轉子的實(shí)際位置，為電機調速控制提高可靠的硬件基礎。