基于IPM的三相无刷直流电机控制系统的设计

O 引言
    无刷直流电机因其体积小，重量轻，维护方便，高效节能等一系列优点，被广泛用于各个领域。尤其随着高性能的单片机和专门用途的DSP(Digital Signal Processor)微处理器和集IGBT模块及其驱动和保护于一身的智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)的发展，使无刷直流电机的位置检测和换相更加准确稳定。本文以DSP(TMS320LF2407A)作为核心的三相无刷直流电机控制系统为研究对象，采用双极性PWM(PulseWidth Modulation)控制技术，利用智能功率模块IPM(PM50RSAl20)，设计一种电机控制系统，实验结果表明，系统调速范围宽，控制性能良好。

1 三相无刷直流电机控制系统
    三相无刷直流电机控制系统框图如图1所示，系统主要由DSP控制模块、智能功率模块和转子位置检测模块三大部分构成。系统根据转子位置检测模块检测到的电机位置信号，控制DSP输出正确的6路PWM脉冲信号，经过驱动电路以控制智能功率模块中相应功率管的通断，从而实现对电机的正确供电，控制电机正常运行。

2 TMS320LF2407A模块的介绍
    TMS320LF2407A模块主要由DSP芯片、电源、晶振、外扩RAM和输出引脚组成。TMS320LF2407A有两个事件管理器EVA和EVB，每个模块包括：两个16位的通用定时器；8个16位的脉宽调制通道(PWM)，他们能够实现三相反相器控制，能捕获位置信号，可产生可调死区的各种PWM波。该模块在本控制系统中担当着重要的控制角色。
    DSP硬件的调试不但需要示波器等传统的仪器，还需要专门的仿真套件，本文使用的是XDS510仿真器，该仿真器包括一个PC插卡和一个JTAG接口，通过该接口可以访问DSP芯片的所有资源，而且同时可以设置断点、单步执行等，以检验和调试所设计的目标电路是否正确。

3 基于IPM控制电路的设计
    智能功率模块IPM由高速、低功率的IGBT和优选的门级驱动及保护电路构成。虽然IPM虽有诸多优点，但其内部电路不含有防止干扰的信号隔离电路、自保护功能和浪涌吸收电路，为保证IPM安全可靠，需要设计这部分电路。
3．1 IPM外部驱动电路的设计
    IPM功率驱动电路如图2所示。为了保证强电部分和弱电部分电路的电气隔离，需将控制部分和驱动部分相互隔离。来自DSP的6路PWM信号经电阻限流后经高速光耦隔离并放大后接IPM内部驱动电路以控制相应开关管工作。IPM的故障信号也需隔离之后送到DSP。UFO、VFO、WFO、FO分别为IPM内部的上桥臂三路故障输出信号和下桥臂一路故障输出信号。这些内部故障信号经光耦PC817转换为相应的故障输出信号F01、F02、F03和F04。

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    IPM用的隔离光耦要求上升沿延时tPLH<0．8μs，下降沿延时tPLH tPHL<0．8 μ s，共模抑制比CMR>10kV／μs，因此选用HCPL4504型高速光耦，且为了提高光耦的转换速度，在光耦输入端接1只0．1 μ F的退耦电容。
3．1．1 一路上桥臂驱动电路
    以图2中其中一路上桥臂为例来说明驱动电路工作原理，其中VUPI为电源+15V， VUPC为电源地，UP为驱动控制信号的输入端。由DSP输出的一路上桥臂PWM信号和VCC分别接高速光藕HCPL4504的3、2管脚，当PWM信号为低电平时，HCPL4504的5、6将会导通，从而使控制信号输入IPM模块UP端，控制相应桥臂的IGBT导通。其中每个开关管的控制电源端采用独立隔离的稳压15V电源，且接1只10 μ F的退耦电容器以滤去共模噪声。R15根据HCPL4504光耦输入电流要求(25mA)选取为200 Ω。R16根据IPM驱动电流选取，且尽可能小以避免高阻抗IPM拾取噪声，另一方面又要足够可靠地控制IPM，本系统选为4．7k Ω。C9为2号端与地间的0．1 μF滤波电容(上桥臂其它两路连接电路与其类似)。
    一般IPM需用四路独立电源来防止内部上下桥路发生直通短路，其中上桥臂每个IGBT需要一个单独的隔离电源供电，共需3组；而下桥臂3个IGBT共用l组隔离电源供电。
3．1．2 三路下桥臂驱动电路
    图2中IPM模块的三路下桥臂可由一路公共电源统一供电，VNI与VNC分别接电源的+15V与地。由DSP产生的三路PWM2、PWM4、PWM6信号输入IPM的UN，VN，WN端，分别控制其下桥臂对应的IGBT开关管的通断。
3．2 IPM缓冲电路设计
    由于IPM在高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的di／dt，dv／dt和瞬时功耗，给器件以较大的冲击，易损坏器件。设置缓冲电路(即吸收电路)就是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过电压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。

    图3为常用的大功率IPM缓冲电路。R，C，VD值的选取原则为：一般电阻电容值按经验数据选取，如PM200DSA060电容值为0．47～2 μ F，耐压值是IGBT的1．1～1．5倍，电阻值10～20Ω，电阻功率为
    式中：f为IGBT工作频率；U为IGBT工作峰值电压；C为缓冲电路与电阻串联的电容。但RC时间常数应设计为开关周期的1／3，即τ=T/3＝1／(3f)。二极管选用快恢复二极管。为保证缓冲电路的可靠性，可以根据功率大小选择已封装好的如图3所示的专用缓冲电路。
3．3 IPM的保护电路
    在以DSP芯片为核心的控制系统中，利用DSP事件管理器中功率驱动保护引脚(PDPINT)中断实现对IPM的保护。通常1个事件管理器产生的多路PWM可控制多个IPM工作，其中每个开关管均可输出FO信号。图4为IPM模块故障信号输出原理图。三路上桥臂的故障信号和一路下桥臂的故障信号经过一个7407的OC门之后再经过一个上拉电阻就可直接输入DSP的PDPINT引脚。正常工作时，所有的FO信号均为高电平，从而PDDPINT也为高电平，一旦任何一路桥臂有故障发生，则PDPINT变为低电平，从而触发DSP的电源保护中断，使其所有的PWM输出引脚均呈高阻状态，起到对IPM模块的保护作用。

4 检测模块的设计
4．1 位置检测和速度计算
    位置检测不但用于换相，而且还用于产生速度控制量。本系统的位置信号是通过3个霍尔传感器得到，每个霍尔传感器都会产生180°脉宽的输出信号。3个霍尔传感器的输出信号互差120°相位差。这样在每个机械转中共有6个上升或下降沿，正好对应着6个换相时刻。将DSP设置为双沿触发捕捉中断功能，就能获得这6个时刻，再通过DSP的捕捉口检测电平状态，就可以判断是哪个霍尔传感器的什么沿触发的捕捉中断，确定了换相信息，就可以实现正确换相。位置信号还可以用于产生速度控制量，每个机械转有6次换相，测得两次换相的时间间隔，就可以计算出两次换相间隔间的平均角速度。 [p]
4．2 电流检测
    电流检测电路由霍尔元件、运算放大器和DSP内部A／D转换器组成。由于输出电流信号较弱，需用同相放大器放大。对于三相电机，电流采样只需在电机三相绕组的任意两相上安装两个霍尔元件，来检测电流信号。由于存在下列关系式：ia+ib+ic=0，因此只需检测任意两相的电流值，就可得到另外一相的电流值。在每个PWM周期对电流采样一次，采样时刻应在PWM周期的"开"期间中部，通过DSP定时器启动ADC转换来实现。

5 软件设计
    系统软件采用DSP的汇编语言编程，并进行了模块化设计。软件主要包括：主程序，初始化子程序、捕捉中断子程序，A／D转换子程序，显示子程序等。其中主程序如图5所示，主要实现以下功能。

    1)系统初始化程序：主要是对DSP，芯片TMS320LF2407A的某些系统控制寄存器和IO功能进行设置：如时钟倍频，一些管脚定义为输入IO还是基本功能管脚。
    2)变量初始化：该部分对使用到的常量赋值，并对一些需要初始值的变量赋初值。
    3)液晶显示初始化：该部分主要完成对显示器件JM1602C的初始化设置，如清显示、输入模式、光标位置等。
    4)设置参考转速子程序：该部分调用键盘程序设定参考转速，调用显示程序显示设置的参考转速。
    5)读取位置信号：为了获得位置信号，只要调用一次捕捉中断服务程序，并可对电机进行启动。
    6)调速并实时显示转速：程序将在这里等待中断，当有中断产生时，系统响应中断程序，当在等待中断时，根据定时器T1控制是否刷新显示。

6 实验及结论
    应用以上硬件电路，笔者完成了电机参数为额定功率lOOW，额定电压220V，额定电流0．5A，额定转速1500 r／mi n，用示波器测量其中一相波形实验，波形如图6所示。图6b是转速在100r／min的U相电压，图6a是1000r／min时的U相电压，探头均衰减1 0倍。实验结果表明：用DSP(TMS320LF2407A)为主控芯片，以IPM(PM50RSAl20)为功率驱动电路，设计的三相无刷直流电机的启动和稳速控制系统方案可行，系统安全可靠、简单实用。