基于DSP的直流无刷电机控制器的硬件设计

随着电力电子技术，新的永磁材料以及具有快速运算能力的DSP（数字信号处理器）的发展，直流无刷电机应用日益普及。直流无刷电机具有和直流电机相似的优良调速性能，又克服了直流电机采用机械式换向装置所引起的换向火花、可靠性低等缺点，且具有体积小、重量轻、效率高、电机的形状和尺寸灵活等优点，因此广泛应用在伺服系统、数控机床、电动车辆和家用电器各领域，成为现代伺服技术的主方向。

    本文的主要内容是基于DSP芯片MC56F8323的直流无刷电机控制器的硬件设计。主要包括电流环、速度位置环和IPM（智能功率模块）驱动电路的硬件设计。

2  控制器系统设计

2.1  系统硬件框架设计

    MC56F8323是FREESCALE（飞思卡尔）半导体公司56800E系列的一款DSP芯片，内置FLASH，在核心频率为60MHz下运算速度可达到60MIPS（Million Instruction Per Second，每秒百万条指令）。它所提供的大部分指令（包括乘法指令）均为单机器周期指令，且指令使用灵活、方便，具备进行复杂计算（如矢量运算）的能力；3.3V供电，兼容5V输入；最多可达27个通用I/O口，且每一个I/O口均可配置为中断输入和配置为集电极开路输出，增大驱动负载能力。

    这款DSP芯片是专门面向运动控制应用的数字信号处理器，其上包括了电机控制所需要的主要功能模块，如六路PWM模块、正交编码模块、AD模数转换模块、与外界通信的SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围接口）、SCI（Serial Communications Interface，串行通信接口）和CAN现场总线模块。因此只需很少的系统元件就可以组成一个完整的伺服系统。其典型应用硬件电路框图如图1所示。需要特别指出的是其内部带有PWM模块，特别适用于电机控制。PWM模块有6个输出通道，从PWM0到PWM5，可以配置为3对互补的PWM信号或6个独立的PWM信号，在互补通道下允许可编程的死区时间插入，通过电流状态输入或软件独立的顶/底通道脉宽校正和独立的顶部、底部通道极性控制。
 

图1  控制器硬件框图

    由DSP内置的PWM模块产生六路PWM信号直接输入IPM模块，驱动电机。在控制算法中需要电机运行时的相电流，由两个电流传感器将电流信号转换为电压信号输入DSP内置的AD模块，该AD模块有两个独立的转换器，可以保证采集到的相电流是同时的。电机的转速和位置的测量由外置的光电编码器完成，由编码器产生的两路正交信号输入DSP内置的正交编码模块，就可由DSP计算电机的转速和位置。人机接口通过DSP内置的SCI、SPI和CAN现场总线模块完成对电机各种参数的设定，同时监视电机的运行状况。

2.2  电流环的设计

    在直流无刷电机控制系统中，为了得到较好的控制性能，很多的控制算法如矢量控制等都需要知道电机定子的三相相电流。

    电流环主要是完成DSP对电机相电流的检测，只需要采集两相的电流根据KCL电流定理就可以知道三相的电流了。所采用电流传感器为LEM（莱姆）公司的LTS6-NP，其为霍尔型电流传感器，采用单极供电，具有出色的精度、良好的线性度、低温漂和反应时间快等特点，测量范围灵活，可配置为从-3A～+3A、-6A～+6A和-19.2A～+19.2A，非常适用于电机的电流检测。以最后一种配置为例，其输出电压与原边电流曲线图如图2所示。
 

图2  电流传感器输入输出曲线图

    现在很多的电路设计中采用在逆变桥的下桥臂上串接电阻分压作为传感器，将电阻上的电压信号作为采样信号。这种检测方法非常简单和便宜，但是很难做到电阻值稳定不变，采样精度不高，不能提供准确的电流值。而且反馈控制电路与主电路没有隔离，万一功率电路的高电压通过反馈电路进入控制电路，将危及到控制系统的安全。并且在有些硬件条件下，如某些IPM模块不提供下桥臂发射极开路，就不能实现使用电阻器进行相电流的测量。因此给出通用的解决方案。

    电流传感器输出电压为模拟量，必须要将模拟量转换为数字量，DSP才能使用。MC56F8323带有AD数模转换器，其内部有两个独立的转换器（许多DSP芯片是不具备的），转换精度为12位，转换速度最快为每次同时扫描只需要5.3?s。ADC模块最大时钟频率为5MHz，每个时钟周期为200ns。第一个采样需要8.5个ADC时钟，以后每个采样需要6个ADC时钟，同时扫描采样一共需要4个采样，一共花26.5个时钟周期，需要5.3us（26.5×200ns=5.3?s）。若采用同时扫描方式，由于内部有两个独立AD转换器可以同时对两路信号进行采样，这就可以保证采集到的两路相电流是同时的，且ADC采样可以通过同步信号和PWM信号同步。

2.3  速度位置环的设计

    速度位置环在电机控制中具有非常重要的作用，其检测到的精确性直接反应到对电机控制的精度。速度的测量方法有多种，如测速发电机、感应式转速传感器、霍尔转速传感器、光电式转速传感器以及旋转变压器式转速传感器等。但目前调速系统速度和位置反馈控制中应用较多的还是增量式光电编码器，它不仅可以检测电动机转速，还可以测定电动机的转向及转子相对于定子的位置。其结构图如图3所示。
 

图3  光电编码器结构图

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    光电编码器的工作原理为：在刻度盘上均匀分布一定数量的小孔，有光透过时产生逻辑“1”信号，没有透光时产生逻辑“0”信号，这样从光敏传感器就可以产生A、B两路相位相差90度的正交信号。

    MC56F8323内部带有正交编码模块（quadrature decoder），从编码器输出的正交信号输入DSP的PHASEA脚和PHASEB脚，内部的正交编码模块将信号进行四倍频，再由位置计数器计数从而可以确定转子的速度和位置。如果PHASEA信号的相位领先于PHASEB信号，那么运动方向为正向，落后则为负向。其正交信号检测时序如图4所示。
 

图4  正交信号检测时序图

    MC56F8323正交编码模块具有如下特点：PHASEA和PHASEB的输入信号首先必须通过一个干扰信号滤波器，该滤波器可以数字延时，可以滤除毛刺，保证只有真正的信号才进行计数。同时对于只用单个信号的控制，均可配置为单个的脉冲计数。

    对于一个高速转轴编码器，转轴速度可以通过计算每单位时间内位置计数器的变化值来得到。对于低速电机，由于输入PHASEA和PHASEB与通用定时器相连均可作为输入捕捉引脚，可以利用定时器测量正交相位之间的时间周期来得到高分辨率的速度测量。定时器模块利用一个16位的计数器，通过对总线时钟的分频来计数，40MHz的总线时钟频率最大可以得到102ms的计数周期。对于一个1000齿的编码器来说，通过利用定时器测量速度可以精确测量到0.15转每分。

2.4  IPM驱动电路设计

    IPM（智能功率模块）驱动电路主要完成对DSP芯片产生的六路PWM信号的功率放大，驱动内部的功率管从而实现对电机的驱动。

    IRAMS16UP60A PlugNDriveTM集成电源模块（IPM）是IR公司iMOTION集成设计平台系列的产品，它除了将6个高压功率晶体管和驱动芯片IR2136等电路集成在一个小型绝缘封装外，还具有过热、过流、欠压和内置死区控制防止高端IGBT（绝缘栅双极晶体管）和底端IGBT短路等保护功能，以确保操作安全以及系统可靠。此外，它还能够由一个+15V直流电源来提供工作电压，可以简化其在电机驱动应用中的使用，并由此加速最终产品的开发。其典型应用电路图如图5所示。
 

图5  IPM典型应用原理图

 

    与分立元件相比，模块除了具有众所周知的优点（更小、更可靠、可视为单一元件）外，IRAMS16UP60A模块还使设计者避免了在IGBT逆变器设计中常遇到的几个问题：

?  模块具有很低的电路电感，可以减小电压尖峰，在较低的开关损耗下可以工作于较高的开关频率；

?  所有低端和高端IGBT的传输延迟匹配，可以防止直流电流加到电机上；

?  内置死去时间控制提供充足死区时间防止高端IGBT和低端IGBT短路；

?  故障安全工作确保过流过压时停机，使设计者不用设计过流和过压保护电路；

?  提供了温度监视和相电流检测引脚。

3  结语

    本文详细论述了采用MC56F8323 DSP为核心的直流无刷电机控制器的硬件设计，给出了电流环、速度位置环和IPM驱动电路的实际应用电路。此硬件设计已成功应用在国内某高档电脑平缝机上，性能优异，部分指标达到行业领先水平。