六相感應(yīng)電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

李 山，劉述喜，姜 程，王 博

（重慶理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化系，重慶 400054）

1 引言

多相電機(jī)與三相電機(jī)相比，有許多突出的優(yōu)勢(shì)，例如多相系統(tǒng)能減小轉(zhuǎn)子諧波損耗和直流母線(xiàn)上的諧波電流，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[1]。六相電機(jī)已經(jīng)被應(yīng)用在推進(jìn)系統(tǒng)中，比如船舶推進(jìn)系統(tǒng)和電車(chē)推進(jìn)系統(tǒng)。由于可靠性高和優(yōu)越的電磁轉(zhuǎn)矩特性，多相電機(jī)正越來(lái)越多的被學(xué)者們所研究。本文根據(jù)六相電機(jī)的特性，自行設(shè)計(jì)了一個(gè)基于數(shù)字信號(hào)處理器的六相電機(jī)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)，以便實(shí)現(xiàn)六相感應(yīng)電機(jī)多種控制方案。

2 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整個(gè)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由調(diào)壓器、電機(jī)控制器、六相感應(yīng)電機(jī)、信號(hào)（電流、轉(zhuǎn)速等）測(cè)量和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾個(gè)部分構(gòu)成，如圖1所示。調(diào)壓器可以用于慢慢增大直流母線(xiàn)電壓。

圖1 實(shí)驗(yàn)總體平臺(tái)框圖

圖1中的電機(jī)控制器是把主電路和控制電路看成一體。主電路的功能主要是要實(shí)現(xiàn)AC-DC-AC的功率轉(zhuǎn)換，控制電路主要是接收檢測(cè)信號(hào)經(jīng)運(yùn)算后發(fā)出控制信號(hào)，使六相電機(jī)得到其需要的交流電的電壓與頻率。主電路與控制電路的所有部件都固定在一塊絕緣板上，主電路與控制電路分開(kāi)到兩個(gè)區(qū)域安裝，可以避免相互之間的干擾，電機(jī)控制器有兩電源接入，一個(gè)是主電路用的380 V三相電源，一個(gè)是控制電路用的220 V單相電源。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)

圖2中整流電路采用不可控整流橋，而逆變器則是整個(gè)系統(tǒng)的受控對(duì)象，其控制精度和可靠性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能。首先三相電壓為工業(yè)用380 V交流電，由于系統(tǒng)對(duì)于整流后的波形要求并不高，就直接采用三相不可控整流橋。因?yàn)槭橇嚯姍C(jī)，逆變部分輸出六相電壓，逆變器件采用智能功率模塊（IPM）PM75DSA120，額定電流75 A，額定電壓1200 V，屬于兩單元IGBT模塊，所以共需要6個(gè)IPM模塊，IPM模塊將功率模塊、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路集于一體，使整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作變得快捷而方便[2]。我國(guó)的市電電壓波動(dòng)比較大，為防止直流側(cè)中有高次諧波，在IPM的P，N直流電壓端前加上一個(gè)大電容進(jìn)行濾波，并緩沖感應(yīng)電機(jī)無(wú)功功率[3]。

3 DSP控制電路

DSP控制板是整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)算核心，同時(shí)還包含了系統(tǒng)對(duì)外的通訊和仿真接口，本文選用了TI公司的 TMS320F2812（150 MHz時(shí)鐘頻率）作為控制芯片，它將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)集于一身，被廣泛用于工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]。本文中用到的DSP外圍電路如圖3所示。

3.1 電源電路

DSP系統(tǒng)一般都采用多電源系統(tǒng)，電源及復(fù)位電路的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的性能有重要的影響。TMS320F2812是一款低功耗設(shè)計(jì)的芯片，該電壓為1.8 V，I/O電壓為3.3 V。本文采用TPS767D318芯片，能將5 V電壓變化成3.3 V和1.8 V兩種不同的電壓，如圖4所示。

TMS320F2812 DSP的時(shí)鐘電路可以有兩種連接方式，即外部振蕩器方式和諧振器方式，本文選用的是諧振器方式，其電路簡(jiǎn)單，只需一個(gè)晶振和兩個(gè)電容即可[4]。

圖3 DSP及外圍電路框圖

3.2 DSP與JTAG的接口設(shè)計(jì)

DSP仿真器通過(guò)DSP芯片上提供的仿真引腳實(shí)現(xiàn)仿真功能，如圖5所示。掃描仿真掃除了傳統(tǒng)電路仿真存在的電纜過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起的信號(hào)失真及仿真插頭可靠性差的問(wèn)題，掃描仿真使得在線(xiàn)仿真成為可能，給調(diào)試帶來(lái)極大方便。

圖4 電源變換電路

圖5 JTAG接口電路

3.3 DSP的串行接口設(shè)計(jì)

由于TMS320F2812芯片的SCI接口的TTL電平與PC機(jī)的RS-232電平不兼容，所以連接時(shí)必須要經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，本文選用MAX202E芯片驅(qū)動(dòng)串行通信。其集成度高，而且具有兩個(gè)接收和發(fā)送通道。串行接口電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

3.4 主控制電路調(diào)試經(jīng)驗(yàn)

在調(diào)試主控制電路時(shí)，應(yīng)特別注意系統(tǒng)板的供電電源有很好的恒流恒壓性，系統(tǒng)板供電電源應(yīng)是5 V，電壓如果過(guò)低，由JTAG向Flash燒入程序時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示，電壓如果過(guò)高，則會(huì)燒壞DSP芯片，所以在加電后，應(yīng)用手感覺(jué)芯片是否特別熱，如果發(fā)現(xiàn)芯片太熱，則應(yīng)立即斷掉電源，重新檢查電路。所以，應(yīng)該高度重視電源質(zhì)量。

圖6 串行接口電路

4 信號(hào)隔離電路

由DSP輸出的PWM控制信號(hào)需要經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換與隔離才能對(duì)功率器件進(jìn)行控制，這其中不僅要保證控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)還要保證準(zhǔn)確性與抗干擾性[5-6]。逆變電路選用三菱公司的PM75DSA120的智能功率模塊（IPM）。它是將IGBT開(kāi)關(guān)器件配套的驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路與保護(hù)電路以及某些接口電路和功率模塊都集成到一起的集成功率模塊。

PM75DSA120是一個(gè)兩單元IPM模塊，只能作為一組上下橋臂的功率塊，當(dāng)控制信號(hào)（柵極驅(qū)動(dòng)）與主電路共用一個(gè)電流路徑時(shí)，由于主回路有很高的di/dt，致使在具有寄生電感的功率回路產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而導(dǎo)致可能感應(yīng)到柵極把本來(lái)截止的IGBT導(dǎo)通，因此IPM需要兩組相互隔離的電源，上下橋臂各一個(gè)。因?yàn)槭橇嚯姍C(jī)，需要兩組三橋臂的驅(qū)動(dòng)模塊，因此，本文需要6個(gè)PM75DSA120模塊。每三個(gè)組成一組，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的其中三相。由于DSP TMS320F2812有兩個(gè)事件管理器 （EVA和EVB），每個(gè)事件管理器的全比較單元?jiǎng)偤每梢园l(fā)出6個(gè)PWM信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)3個(gè)PM75DSA120模塊。兩個(gè)事件管理器則剛好可以控制六相電機(jī)需要的12個(gè) PWM 信號(hào)，DSP的 EVA驅(qū)動(dòng)電機(jī)的 A，C，E相，EVB則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的B，D，F(xiàn)相。

DSP發(fā)出的PWM信號(hào)不能直接連接到IPM上，而是需要一個(gè)隔離電路，這里采用IPM專(zhuān)用的高速光耦HCPL4504，如圖7所示。從第6腳輸出信號(hào)接IPM模塊輸入。

圖7 DSP輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離電路

圖8為驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)驗(yàn)測(cè)試波形，上下IGBT器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，且留有幾個(gè)us的死區(qū)，避免橋臂直通。

圖8 一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形

作為一個(gè)完善的控制系統(tǒng)，故障的檢測(cè)和保護(hù)電路是必不可少的。本系統(tǒng)中，過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫保護(hù)均集成在IPM器件上，每一個(gè)單元都有單獨(dú)的過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，IPM會(huì)封鎖住所有的輸入信號(hào)，停止輸出驅(qū)動(dòng)電壓，并且會(huì)發(fā)出一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)F0，因此，必須有一個(gè)外部電路檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)，并將其送至DSP中的PDPINT引腳，當(dāng)IPM模塊正常工作時(shí)DSP的PDPINT引腳為高電平，DSP正常輸出脈寬調(diào)制波，如為低電平，說(shuō)明IPM模塊已經(jīng)檢測(cè)到故障，如過(guò)流、過(guò)溫等，則DSP的PWM引腳被置為高阻態(tài)，封鎖PWM輸出。由于保護(hù)電路屬于系統(tǒng)的弱電控制，而故障信號(hào)又是從系統(tǒng)的主電路取出的，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定要實(shí)行弱電與強(qiáng)電的隔離，本文采用PC817作為錯(cuò)誤信號(hào)隔離電路，如圖9所示。

圖9 錯(cuò)誤信號(hào)隔離電路

5 信號(hào)檢測(cè)電路

電機(jī)的控制系統(tǒng)大多是通過(guò)閉環(huán)進(jìn)行控制的，為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，首先要將控制量（電壓，電流等）檢測(cè)出來(lái)，然后再反饋給控制系統(tǒng)，檢測(cè)電路是交流控制系統(tǒng)中的重要組成部分，它的設(shè)計(jì)是否合理，直接影響到裝置運(yùn)行的可靠性和控制的精度。由于電機(jī)是采用電壓源型逆變器供電，電流波形是含有高次諧波的毛刺形狀，DSP的AD轉(zhuǎn)換器只能接受幅值在一定范圍（0～3.3 V）內(nèi)變化的電壓信號(hào)，因此模擬量輸入通道設(shè)計(jì)應(yīng)考慮濾除干擾，極性變化和幅值變換等因素，然后再把電壓信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，以便DSP采樣處理。本系統(tǒng)采用LEM霍爾電流傳感器LT100-P，它的工作電壓是±15 V，輸入輸出比是1000：1，霍爾傳感器輸出的是弱電流信號(hào)，因此要把霍爾傳感器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后再經(jīng)電壓跟隨器，再經(jīng)過(guò)濾波處理，但此時(shí)霍爾傳感器輸出的是有正負(fù)的交流信號(hào)，而TMS320F2812的AD口的輸入需是0～3.3 V的電壓信號(hào)，所以為了AD轉(zhuǎn)換器既能轉(zhuǎn)換其正信號(hào)，又能轉(zhuǎn)換其負(fù)信號(hào)，還需要將電壓信號(hào)提升，將其負(fù)信號(hào)全部提升至正電壓信號(hào)以適應(yīng)DSP的輸入需求，電路設(shè)計(jì)如圖10所示。

運(yùn)放MCP604構(gòu)成了一個(gè)巴特沃斯有源低通濾波器，為了使AD采樣能夠正確的反映電流的變化情況，同時(shí)也濾除干擾，濾波器的截止頻率設(shè)置為10 kHz。對(duì)電機(jī)相電路進(jìn)行檢測(cè)，并在DSP編譯環(huán)境顯示出來(lái)，如圖11所示。

圖10 信號(hào)檢測(cè)電路

在完成硬件設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形如圖13所示。

圖11 DSP開(kāi)發(fā)環(huán)境顯示相電流波形

對(duì)圖11所示的電流采樣信號(hào)進(jìn)行FFT分析，得到圖12所示的波形，可以看出，諧波含量很少。這樣可以在開(kāi)發(fā)環(huán)境中可以充分利用DSP資源。

圖12 電流信號(hào)FFT分析

圖13是在完成硬件設(shè)計(jì)各部分單元測(cè)試后，編寫(xiě)了SPWM測(cè)試程序，IPM模塊一組橋臂輸入電壓波形。上下IGBT互補(bǔ)，呈現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制形式，不足之處就是毛刺較多，還需改進(jìn)。

圖13 IPM模塊一組輸入互補(bǔ)SPWM波形

6 結(jié)語(yǔ)

硬件平臺(tái)是電機(jī)控制的物質(zhì)基礎(chǔ)，本文基于中高端芯片DSP2812和IPM模塊架構(gòu)，介紹了用于六相感應(yīng)電機(jī)控制硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，包括主電路和控制電路。由于主要用于研究生實(shí)驗(yàn)，所以有些方面仍需改進(jìn)。DSP具有高速運(yùn)算能力，實(shí)時(shí)控制性能及較高的采樣精度，使當(dāng)前一些先進(jìn)的控制策略，如矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制達(dá)到預(yù)期的效果，下一步工作就要開(kāi)展六相電機(jī)的高性能控制。

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