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楊蘋，胡郴龍，姜華
(華南理工大學(xué)電力學(xué)院廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640)
摘要：探討了無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過程，給出了基于智能功率模塊(IPM)PS21865的主電路實(shí)現(xiàn)方案，完成了以數(shù)寧信號(hào)處理器TMS320I,F2407A為核心的控制電路和輔助電路的硬件設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)集成度高、控制靈活、功能完善。試驗(yàn)結(jié)果表明，無位置傳感器BLDCM變頻調(diào)速系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能，系統(tǒng)控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
中圖分類號(hào)：TM 92I 51：TM 33文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-5540(2010)05-0324-5
0 引 言
由于無位置傳感器 無刷直流電機(jī)(Brash—less DC Motor，BLDCM)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有體積小、效率高、調(diào)速精度高和轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)，并具有良好的節(jié)能效果，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在各類驅(qū)動(dòng)裝置和伺服系統(tǒng)中 [1-2]。 本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)、外對(duì)無位置傳感器BLD—CM變頻調(diào)速系統(tǒng)需求越來越大、要求越來越高的現(xiàn)狀，在理論分析和仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，完成了無位置傳感器BLDCM的變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。使用高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)滿足了電機(jī)控制系統(tǒng)不斷增加計(jì)算速度的要求，同時(shí)引入集成度較高的智能功率模塊(Inte]]igent PowerModule，IPM)，提高了產(chǎn)品的模塊化水平。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、控制靈活、實(shí)用性強(qiáng)。
1 BLDCM系統(tǒng)工作原理
BLDCM系統(tǒng)巾電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)電路三部分組成[3]。直流電源通過開關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，位置傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子所處的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而自動(dòng)控制繞組的通斷電，實(shí)現(xiàn)電子換向。與BLDCM系統(tǒng)相比，無位置傳感器BLDCM系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子位置信息是通過處理器進(jìn)行計(jì)算獲得的，其原理圖如圖1所示。
目前，BLDcM無傳感器控制[4-5]較為典型的控制方法有反電勢(shì)法、定子三次諧波法、渦流效應(yīng)法、磁通估計(jì)法等[6]，其中反電勢(shì)法是一種******實(shí)用的轉(zhuǎn)位置檢測(cè)方法。由丁BLDcM的繞組反電勢(shì)波形直接反映轉(zhuǎn)子的位置，因此可以利用繞組反電勢(shì)米獲取轉(zhuǎn)子的位置信息。對(duì)于采用兩相導(dǎo)通三相六拍運(yùn)行方式的BLDcM而言，二相繞組中在任意時(shí)刻總有一相處于斷開狀態(tài)，檢測(cè)斷開相的反電勢(shì)信號(hào)，當(dāng)其過零點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組軸線重合，再經(jīng)過30。電角度按照開通順序進(jìn)行換相。故只要檢測(cè)到各相反電勢(shì)的過零點(diǎn)，即可獲知轉(zhuǎn)予的若干個(gè)關(guān)鍵位置，這就是反電勢(shì)法的基本原理[7]。反電勢(shì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)法在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)前，必須對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行定位后才能進(jìn)行正常的位置計(jì)算。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的無位置傳感器Blll)cM變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由主電路、控制電路和輔助電路二三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。主電路包括整流和斬波電路及IPM功率和檢測(cè)電路；控制電路即DsP調(diào)速控制器模塊；輔助電路主要由系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電源模塊及人機(jī)接口電路構(gòu)成。
2．1主電路設(shè)計(jì)
本文介紹的無位置傳感器BLDcM變頻調(diào)速系統(tǒng)是基于交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)溥M(jìn)行的硬件設(shè)計(jì)，交直交變頻的基本組成電路有整流和逆變兩部分，整流電路將工頻交流整流成直流電，逆變電路再將直流電逆變成為頻率可調(diào)的****輸出電流限額為20 A。 (2)IPM功率電路。
IPM功率和檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)中無位置傳感器BI。DcM的__作電源逆變和運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)的任務(wù)，直接影響電動(dòng)機(jī)的工F常運(yùn)行和控制器的控制精度。
IPM包含了IGBT芯片及外圍的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，是一種集成型功率器件。由于其簡(jiǎn)單易用、性能穩(wěn)定及日趨走低的價(jià)格而獲得了廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)所用的IPM選用三菱電機(jī)株式會(huì)社的第三代DIP—IPM Ps21865。該芯片具有如下典型特點(diǎn)：低損耗；采用自舉電路結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)單電源驅(qū)動(dòng)；內(nèi)置有IGBT驅(qū)動(dòng)電路，過載保護(hù)，控制電源欠壓保護(hù)；內(nèi)置專用HVIc(}tigh V0ltage Ic：600V)，無需絕緣電路(如光耦)等。雖然IPMPS21865已經(jīng)提供了方便的控制接口，但為了系統(tǒng)安全，還是建議使用4組隔離電源供給IPM使用(即上三橋各一組，下三橋共一組)，u、V、w控制信號(hào)輸入端子使用光耦隔離方式。
基于IPM Ps21865的逆變器外圍電路設(shè)計(jì)如圖4所示，上三橋各自用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源，下三橋共用一路驅(qū)動(dòng)電源。在IPM驅(qū)動(dòng)電源的輸入端，建議設(shè)計(jì)濾波電路，以防止上、下橋驅(qū)動(dòng)電
源短路，造成變頻器損壞。
(3)電壓和電流檢測(cè)電路。
欲實(shí)現(xiàn)DsP的無位置傳感器BLDcM的變頻調(diào)速控制，酋先必須解決電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)問題。本系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)各相采用分壓電阻采集相電壓，再經(jīng)由高精度運(yùn)放OPl77組成的電平抬高電路后傳送至TMs320LF2407A的A／D轉(zhuǎn)換口，進(jìn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)星型中性點(diǎn)電壓進(jìn)行計(jì)算，以獲得轉(zhuǎn)子位置信息。以BLDcM u相為例，圖5所示為系統(tǒng)采用的相電壓檢測(cè)電路。為防止定子換相時(shí)刻的高次偕波干擾，應(yīng)在Ru2兩端黍加濾波電容，并且Ru2宜采用無感功率電阻。
系統(tǒng)欲實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，也必然要引入直流母線電流檢測(cè)。本系統(tǒng)中為了提高電流檢測(cè)精度，方便硬件設(shè)計(jì)，采用了Max472專用電流檢測(cè)芯片。Max472是美國(guó)美信公司生產(chǎn)的精密高端電流檢測(cè)放大器，它有一個(gè)電流輸出端，可以用一個(gè)電阻來實(shí)現(xiàn)以地為參考點(diǎn)的電流／電壓轉(zhuǎn)換，元需另加放大電路，并可工作在較寬的電壓和較大的電流范圍內(nèi)。圖6為電流檢測(cè)電路的原理圖。
2．2控制電路設(shè)計(jì)
DsP調(diào)速控制器模塊是無位置傳感器BLD—cM變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，通過串行接口接收人機(jī)接口模塊的控制命令、發(fā)送電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行信息，利用PwM輸出進(jìn)行調(diào)速控制。 TMS320LF2407A[10]最小系統(tǒng)的搭建，是整個(gè)控制模塊實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。與單片機(jī)最小系統(tǒng)類似，DsP的最小系統(tǒng)一般包含如圖7所示的幾部分，其中外擴(kuò)SRAM和JTAG不是DsP最小系統(tǒng)必須的部分，只是為了調(diào)試方便，通常在設(shè)計(jì)時(shí)把它們納入最小系統(tǒng)的范疇。
在設(shè)計(jì)完DsP的最小系統(tǒng)后，根據(jù)實(shí)際需要選擇所需的外設(shè)接口。對(duì)于閑置的I／O口，除了DsP技術(shù)手冊(cè)明確指出該如何處理外，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低功耗，對(duì)這些閑置的I／O口通常做如下處理：對(duì)于一般的I／O口，簡(jiǎn)單的可以卒置，然后程序里面初始化為輸出引腳；對(duì)于巾斷引腳，內(nèi)部一般都有弱上拉，為了提高可靠性，可以再外接一個(gè)上拉電阻。
TMS320LF2407A的事件管理器是電動(dòng)機(jī)變頻控制的核心部分，它與IPM接口部分的優(yōu)劣直接影響整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雖然該系統(tǒng)所選用的IPM Ps21865可以直接由單片機(jī)或者DsP驅(qū)動(dòng)，但是為了系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠，還是建議采用光耦隔離驅(qū)動(dòng)的方式。
本文選用了IPM專用的美國(guó)安捷倫高速光耦HcPL4504，該光耦瞬時(shí)隔離達(dá)15 kV／μs。圖8為DsP事件管理器PwM輸出與IPM的隔離驅(qū)動(dòng)電路。為防止電磁干擾，選用了單獨(dú)一路的集成邏輯器件，以保證信號(hào)走線足夠短(小于2 cm)。
2．3輔助電路設(shè)計(jì)
(1)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電源模塊。
信息，利用PwM輸出進(jìn)行調(diào)速控制。
TMS320LF2407A[10]最小系統(tǒng)的搭建，是整個(gè)控制模塊實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。與單片機(jī)最小系統(tǒng)類似，DsP的最小系統(tǒng)一般包含如圖7所示的幾部分，其中外擴(kuò)SRAM和JTAG不是DsP最小系統(tǒng)必須的部分，只是為了調(diào)試方便，通常在設(shè)計(jì)時(shí)把它們納入最小系統(tǒng)的范疇。
在設(shè)計(jì)完DsP的最小系統(tǒng)后，根據(jù)實(shí)際需要選擇所需的外設(shè)接口。對(duì)于閑置的I／O口，除了DsP技術(shù)手冊(cè)明確指出該如何處理外，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低功耗，對(duì)這些閑置的I／O口通常做如下處理：對(duì)于一般的I／O口，簡(jiǎn)單的可以卒置，然后程序里面初始化為輸出引腳；對(duì)于巾斷引腳，內(nèi)部一般都有弱上拉，為了提高可靠性，可以再外接一個(gè)上拉電阻。
TMS320LF2407A的事件管理器是電動(dòng)機(jī)變頻控制的核心部分，它與IPM接口部分的優(yōu)劣直接影響整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雖然該系統(tǒng)所選用的IPM Ps21865可以直接由單片機(jī)或者DsP驅(qū)動(dòng)，但是為了系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠，還是建議采用光耦隔離驅(qū)動(dòng)的方式。
本文選用了IPM專用的美國(guó)安捷倫高速光耦HcPL4504，該光耦瞬時(shí)隔離達(dá)15 kV／μs。圖8為DsP事件管理器PwM輸出與IPM的隔離驅(qū)動(dòng)電路。為防止電磁干擾，選用了單獨(dú)一路的集成邏輯器件，以保證信號(hào)走線足夠短(小于2 cm)。
2．3輔助電路設(shè)計(jì)
(1)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電源模塊。
為0．438Ω，電樞繞組電感(每相)為O．632 mH，定子相數(shù)為3，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.000005 66kg．m2。
對(duì)所設(shè)計(jì)的尤位置傳感器BLDcM變頻速系統(tǒng)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。通過鍵盤輸入不同的給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)均能在短時(shí)問內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效跟隨，可以看出系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能；當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定而負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)保持了良好的轉(zhuǎn)矩H向應(yīng)特性；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了過載和超速等試驗(yàn)，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，控制過程安全呵靠。
4 結(jié) 語
本文介紹，一種無位置傳感器BLDcM變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)論述了系統(tǒng)的硬件沒計(jì)過程，包括整流斬波電路設(shè)計(jì)、IPM逆變電路設(shè)計(jì)和控制電路設(shè)汁等。該系統(tǒng)使用高性能DSF滿足了電機(jī)控制系統(tǒng)不斷增加計(jì)算速度的要求，同時(shí)引入集成度較高的IPM Ps21865，提高了產(chǎn)品的模塊化水平。試驗(yàn)結(jié)果表明，無位置傳感器BLDcM變頻調(diào)速系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能，控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠；同時(shí)電證明了該系統(tǒng)硬件符合沒訃思路要求。
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