1、技术 设计与工艺RST基于IPM的三相无刷直流电动机控制系统的设计以DSP为核心设计了一种基于智能功率模块(IPM)的无刷直流电动机控制系统。阐述了IPM的控制策略光耦隔离驱动、相关保护和作用同时介绍了系统组成和断路器动作的策略，并给出了软硬件设计。试验结果表明该控制系统可减少开关操作的涌流过电压等暂态过程，与现有的模拟控制电路相比结构简单。高文华陕西工业职业技术学院电气工程系二l二刷直流电动机因其体积小，重量轻，维护方L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、专门用途的DSP(Digital Signal Processor)微处理器、集IGBT模块及其驱动和保
2、护于一身的智能功率模块(Intelligent PowerModule，IPM)的发展，使无刷直流电动机的位置检测和换相更加准确稳定。以TMS320LF2407A作为核心的三相无刷直流电动机控制系统为研究对象，采用双极性PWM(Pulse WidthMOdulatiOn)控制技术，利用智能功率模块IPM(PM50RSAl20)，设计一种电动机控制系统，试验结果表明，系统调速范围宽，控制性能良好。1 三相无刷直流电动机控制系统三相无刷直流电动机控制系统框图如图l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动机位置信号，控制DSP输
3、出正确的6路PWM脉圈1系统构成框圈44 I气一量2009年第2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，从而实现对电动机的正确供电，控制电动机正常运行。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)，它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
4、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具有诸多优点，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。31 IPM外部驱动电路的设计坤M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
5、经万方数据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和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。mM用的隔离光耦要求上升沿延时t10 kV坶，因此选用HCPL4504型高速光耦，且为了提高光耦的转换速度，在光耦输入端按1只01 uF的退耦电容。311一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
6、出的一路上桥臂PWM信号和分别接高速光耦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15 V电源，且接1只10 uF的退耦电容器以滤去共模噪声。R15根据HCPIA504光耦输入电流要求(25mA)选取为200 Q。R16根据IPM驱动电流选取，且尽可能小以避免高阻抗1PM拾取噪声l另一方面又要足够可靠地控制IPM，本系统选为47 kQ。69为2号端与地间的01 IIF滤波电容(上桥臂其他两路连接电路与其类似)。一般IPM需用四路独立电源来防止
7、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1GBT共用1组隔离电源供电。312三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didt，dvldt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(Up吸收电路)就是改变WWW eagecorn，cn技术 设计与工艺器
8、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。F0l0I ItFl0 pF 唧，I型璺b砷： UP书障I-Ir牡PIaK饵f14雕15V J友刺 UFOVUPc0I pFl0 pF罐盱塔砷= =C9 VVPI P。殆叼WM3 VP“扣吼舻涮15Vl言再而可F VF0VVPC01 pFlC uF V删，幽b呻= WP 太忘搿怕e_翻触15V l轰丽在 WFOVWPCVNI一 蹦=01 pF-UN田vNcNP 矬捌2 01 pF VNHCPL4504 U 、P1 ，V趔_47k嗣=01 pF fWN V ( BLDCMl入W 罐IlFlr-lFO圈2 IPM功率驱动电路原理
9、圈图3为常用的大功率IPM缓冲电路。尺，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0472 u F，耐压值是IGBT的1115倍电阻值lO20 tl，电阻功率为2009：年笫2期气一量I 45万方数据技术 设计与工艺尸=fCu2式中fIGBT工作频率“IGBT工作峰值电压lC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13，即f=T3=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所示的缓冲电路。图3缓冲电路33 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
10、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PDPINT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输出引脚均呈高圈4 IPM模块故障信号输出原理图拍I qlatllllt2009年第2期阻状态，起到对IPM模块的保护作用。4检测
11、模块的设计41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个霍尔传感器得到的，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的平均角速度。42电流检测电流检测电路由霍
12、尔元件、运算放大器和DSP内部AD转换器组成。由于输出电流信号较弱，需用同相放大器放大。对于三相电动机，电流采样只需在电动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f。+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、AD转换子程序和显示子程序等。其中主程序如图5所示，主要实现以下功能。墅塑王系统初始化二变量初始化生液晶显
13、示初始化设置参考转速子程序内设单元初始化二中断子程序程序显示圈5系统主程序流程图(1)系统初始化程序。主要是对D S P芯片万方数据1Ms320LF2407A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10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JMl602C的初始化设置，如清显示，输入模式及光标位置等。 (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
14、动机进行起动。(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试验及结论应用以上硬件电路，笔者完成了电动机参数为额定功率100 W，额定电压220V，额定电流05 A，额定转速1 500 rmin，用示波器测量其中一相波形试验，波形如图6所示。图6b是转速在100 rrain的u相电压，图6a是1 000 rrain时的u相电压，探头均衰减10倍。试验结果表明：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动机的起动和稳速控制系统方案可行，系统安全可靠，简单实用。、出神288皂掌03252。-。：。 ：。 。l。l。1。-。 ；一 一；一 l且三日二：(b)：WWWeagecorncrlEM(收稿日期：20090105)2009年第2期气一量I 47o堡；呈堡塞电气系列黑体1口a岫n岫一一。轮弛他q瑚巧必抛“如形渡巧ohlp帅=。笛O笛控抛“2形田波形协雌波，6啪蝴匪巧如笱万方数据基于IPM的三相无刷直流电动机控制系统的设计作者： 高文华作者单位： 陕西工业职业技术学院电气工程系刊名： 电气制造英文刊名： ELECTRICAL MANUFACTURING年，卷(期)： 2009(2)本文链接：http:/
