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06-18
摘要：根据无刷直流电机理论和系统要求，以双TMSF DSP处理器为核心，针对系统的高可靠性要求，设计了无线有刷直流电机控制器的硬件电路，并对核心电路进行了分析、仿真和实验验证；结果表明，该硬件电路能够实现无刷直流电机正常调速的控制要求，相应的性能指标能够满足系统要求。
0简介 无刷直流电机（以下简称BLDCM）采用电子换向器代替机械换向器，消除了电刷与换向器接触磨损造成的寿命短、电气绝缘性低、产生火花的问题。
存在干扰强等诸多缺陷；同时，永磁材料的高磁性能使无刷直流电机具有启动扭矩大、调速范围宽、运行效率高等优点，广泛应用于各个工业领域。
由于本系统可靠性要求较高，总体设计思路是采用主控与监测双DSP系统架构，满足控制器的高可靠性要求；三相功率逆变器采用三菱第五代智能功率模块PM15 0CLA为核心，采用光耦HCPL进行栅极驱动信号隔离；利用多个传感器对系统状态进行监测，通过速度、电流双闭环控制策略对电机转速进行精确控制，满足系统对无刷电机控制器高可靠性运行、精确调速和宽范围调速等控制要求。
1 系统组成 BLDCM控制系统原理框图如图1所示。
控制器通过RS与上位机通信；无刷电机通过机械传动装置驱动系统运行；旋转变压器传感器用作 BLDCM 的转子位置和速度反馈组件。
控制器采用高性能数字信号处理器作为控制核心，其中主控DSP完成对无刷直流电机转速和电流的双闭环控制，满足无刷电机宽转速要求范围大、控制精度高；监控DSP完成系统温度、电流、电压、速度等状态监控，并通过传感器检测冗余（数量冗余、类型冗余、位置冗余）设置，实现关键参数的精确测量和控制策略的精细化运行。
，还可判断电源开关和电机三相绕组的故障状态。
监控DSP和主控DSP通过双口RAM（DPRAM）快速交换数据，方便控制系统工作。
2 各模块设计 2.1 双DSP设计 控制器选用的TMSF是美国TJ公司推出的32位定点数字信号处理器，专门针对电机和运动控制。
主控DSP有6通道PWM输出模块、功率驱动及逆变模块、旋转变压器位置传感器励磁及解算模块、模拟量转换模块、SCI通讯等主要模块。
具有强大的实时数据计算能力；监控DSP进行模拟信号采集、外部通信、系统运行状态监控等非实时信息处理。
由于DSP嵌入式系统具有高速数据处理的特点，因此实现主DSP和从DSP之间的数据通信成为主从硬件系统的设计关键。
该系统使用DPRAM作为通信的共享存储器。
其优点是实时性好、可靠性高、数据传输效率高、接口电路简单。
DPRAM的每个端口都有自己的数据、地址和控制总线，允许处理器对存储器中的任意地址执行随机读写操作。
DPRAM 与两个 DSP 的硬件连接关系如图 2 所示。
2.2 功率逆变电路及驱动设计 根据控制器的负载要求以及功率开关器件的应用，采用了三菱第五代智能设计并选用功率模块PMCLA(以下简称IPM)作为功率逆变电路。
主要设计参数为耐压V和最大负载电流A； IPM模块集成了6个IGBT开关逆变电路、优化的栅极驱??动电路和快速保护电路。
其内部框图如图3所示，具有以下特点： 突出优点： 1）开关管导通电压降低，开关损耗低； 2）集成过流、过热、欠压等保护功能； 3）内置自举电路，实现单电源供电； 4) 采用优化设计，抑制浪涌、噪声等干扰问题。
主控DSP输出6路PWM信号，用于驱动功率逆变电路。
为了防止控制信号受到功率驱动电路的干扰，逆变桥功率开关采用“光耦+隔离电源”的方式。
栅极驱动器。
本设计采用光耦HCPL作为隔离驱动电路的核心芯片。
其最大驱动电流为2.5A，可以满足功率模块PMCLA的驱动电流要求。
原副边瞬态隔离电压10kV/μs，可保证隔离强度；采用隔离电源DC/DC模块PWFD作为IGBT功率开关栅极驱动电源，隔离强度为VAC，具有输出短路保护（自恢复）功能。
2.3 电流采样设计 控制系统设计采用隔离电流传感器GCBC进行电流采样。
其灵敏度为40mV/A，非线性度为±1%，满足控制系统的精度要求。
采样电路将电流传感器输出的电压信号通过运算放大器和滤波电路转换成DSP的AD通道可以接收的电压范围（0~3.3V），以便控制器可以实时监测电流的变化时间并进行电流环PID调节。
2.4旋转变压器解决方案 旋转变压器解决方案芯片采用AD公司的AD2S82A芯片，可以将旋转变压器输出的模拟位置信号转换为数字位置信号，同时还可以获得高- 精确的速度信号。
能够很好地满足位置和速度反馈信号的要求。
且设置为12位解算精度，相应的跟踪转换速度最高可达0r/min，满足设计要求；采用运算放大器、电阻和电容组成的文氏桥正弦波励磁发生电路来产生旋转变压器励磁信号，结构简单，可靠性高。
AD2S82A的内部结构如图4所示。
旋转变压器输出的正弦和余弦信号经过滤波和放大后输入到AD2S82A的sin和cos引脚。
在适当的外围配置电路的配合下，AD2S82A可以完成12位数字输出。
AD2S82外围配置电路由电阻和电容组成，实现引脚电平上拉、下拉、高频滤波、增益设置、最大跟踪速率设置、闭环带宽等设置功能。
设计时严格参考相应的数据手册并选用相关软件，以确保AD2S82能够可靠工作。
3 实验验证 3.1 旋转变压器方案测试 图5为无刷电机匀速旋转时旋转变压器（RVDT）的励磁信号、正弦输出信号和余弦输出信号的测试波形。
从图中可以看出，两个输出信号正交，输出信号与激励信号的过零点重合，不存在相移。
输出信号经旋转变压器结算芯片AD2S82A解析，输出12位数字量（0～对应转子位置角0～°）。
DSP在PWM中断程序中使用数据总线连续4次读取RVDT解信号，如图6所示。
从以上分析可以看出，RVDT求解电路实现了无刷电机转子位置的求解，能够准确反映电机转子的实际位置，为电机调速提供了可靠的硬件基础。
3.2 PWM驱动测试 主控DSP输出的PWM信号是控制系统中的关键控制信号之一。
它控制IPM中IGBT的通断，并根据调压、调速的原理来调节无刷电机。
转速。
IPM上臂和下臂IGBT以互补模式工作。
当上下臂IGBT开关状态翻转时，为了防止击穿和短路，必须在PWM信号翻转时设置死区时间；本文设置的死区时间为1μs，PWM死区时间测量波形如图7所示。
两相上下臂IGBT开关控制波形如图8所示。
采用中心对称方式的PWM控制。
当斩波频率为15kHz时，电机绕组电压开关频率为PWM斩波频率的两倍，即30kHz。
有效降低无刷电机的扭矩脉动。
由于电源逆变电路采用三相全桥逆变拓扑，为了保证电机的最大输出，电源逆变电路桥臂输出的电压应与电机保持适当的相位关系。
相应的无刷直流电机绕组的反电动势。
图9为软件调整电机转子位置信号值后功率逆变电路输出的A相电压和无刷直流电机A相绕组的反电动势波形。
两者的过零点对齐，逆变电路桥臂输出的电压波形接近正弦波，满足采用PWM驱动无刷直流电机的电源要求。
3.3 三相绕组电流测试 图10为无刷电机正常运行时上位机调试平台观测到的两相绕组电流波形ia、ib（ic=-ia-ib为减少数据量，ic未显示）。
为了方便调试，DSP定期将需要观测的变量上传到上位机调试平台，调试平台将上传的数据绘制成曲线。
图中纵坐标为信号幅度对应的A/D转换值，横坐标为上传点数。
测试表明，电流采样电路能够真实反映电机绕组的实际电流值，硬件设计合理。
4 结论 本文基于双TMSF DSP处理器为核心进行无刷直流电机控制器的硬件设计。
采用主控DSP对系统进行实时控制，监控DSP对系统状态进行全面监控，提高系统运行可靠性。
对核心硬件电路进行了测试，结果表明控制器硬件电路设计可以为软件设计提供可靠的平台。
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