無刷直流電機控制器硬件設計和實現

0 引言

無刷直流電機(以下簡稱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;同時永磁材料的高磁性能使無刷直流電機具有起動轉矩大、調速范圍廣、運行效率高等優點，在各個工業領域有著廣泛應用。

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進行門極驅動信號隔離;采用多傳感器進行系統狀態監測并通過轉速和電流雙閉環控制策略進行電機轉速精確控制，從而滿足系統對無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RS422與上位機進行通信;無刷電機通過機械傳動裝置驅動系統運轉;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完成無刷直流電機的轉速和電流雙閉環控制，滿足無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、轉速等狀態監控，通過傳感器檢測冗余(數量冗余、類型冗余、位置冗余)設置，既可以實現關鍵參數的精確測量和控制策略的精細化操作，還可以確定功率開關及電機三相繞組故障狀態。監控DSP和主控DSP通過雙口RAM(DPRAM)快速進行數據交換，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位定點數字信號處理器，專門針對電機和運動控制。主控DSP具備6路PWM 輸出模塊、功率驅動及逆變模塊、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，具有很強的實時數據運算能力;監控DSP進行模擬信號采集、外部通訊、系統運行工況監控等非實時信息處理。

由于DSP嵌入式系統的特點在于高速數據處理，因此實現主DSP與從DSP之間的數據通信成為主從式硬件系統的一個設計關鍵。本系統利用DPRAM作為共享存儲器進行通信，其優點是實時性好，可靠性高，數據傳輸效率高，接口電路簡單。DPRAM的每個端口都有各自的數據、地址、控制總線，允許處理器對存儲器的任何地址執行隨機讀寫操作。DPRAM與兩個DSP之間的硬件連接關系如圖2所示。

2.2 功率逆變電路及驅動設計

根據控制器負載需求及功率開關器件的應用場合，設計選用三菱公司第五代智能功率模塊PM150CLA120(以下簡稱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IGBT開關管逆變電路、優化門極驅動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點：1)開關管導通壓降低、開關損耗低;2)集成過流、過熱、欠壓等保護功能;3)內置自舉電路實現單電源供電;4)采用優化設計抑制浪涌、噪聲等引起的干擾問題。

主控DSP輸出6路PWM信號用于驅動功率逆變電路過程中，為防止控制信號受功率驅動電路的干擾，采用“光耦+隔離電源”的方式用于逆變橋功率開關的門極驅動。設計使用光耦HCPL4506作為隔離驅動電路的核心芯片，其最大驅動電流2.5A，可滿足功率模塊PM150CLA120的驅動電流要求;原副邊之間瞬態隔離電壓10kV/μs，可以確保各功率開關之間的隔離強度;使用隔離電源DC/DC模塊PWF2415D作為IGBT功率開關門極驅動電源，隔離強度為1500VAC，同時具有輸出短路保護(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進行電流采樣，其靈敏度為40mV/A，非線性度為±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，經過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)，使控制器能夠實時監控電流的變化，進行電流環 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，而且同時還可以得到高精度的速度信號，能夠很好地滿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生電路產生旋變激勵信號，結構簡單，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帶寬等設定功能，設計嚴格參考相應的數據手冊及相關軟件進行選取，保證AD2S82能夠可靠工作。

3 試驗驗證

3.1 旋變解算試驗

圖5為無刷電機勻速旋轉時旋轉變壓器(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零點重合，未出現相位偏移現象。輸出信號經旋變結算芯片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解算電路實現了無刷電機轉子位置的解算，能夠準確的反映電機轉子的實際位置，為電機調速控制提高可靠的硬件基礎。