智能功率模塊PS21265在直流無(wú)刷電機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

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(鄭州電力高等專(zhuān)科學(xué)校，河南 鄭州 450004)

智能功率模塊PS21265在直流無(wú)刷電機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

羅丹羽，張麗娟，崔均亮

(鄭州電力高等專(zhuān)科學(xué)校，河南 鄭州 450004)

介紹了基于智能功率模塊(IPM)的直流無(wú)刷電機(jī)(BLDCM)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和過(guò)程，側(cè)重于智能功率模塊PS21265在BLDCM控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，并分析了直流無(wú)刷電機(jī)的控制原理，并利用所建數(shù)學(xué)模型對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期要求，電機(jī)起動(dòng)快速、穩(wěn)定，可靠性較好。

智能功率模塊PS21265；伺服系統(tǒng)；直流無(wú)刷電機(jī)

1 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的不斷發(fā)展，伺服系統(tǒng)在許多領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，在工業(yè)器械方面的通用變頻、交流伺服等的控制裝置中，除了對(duì)高性能化、小型化、低損耗化的需求之外，對(duì)于易用性、顧全環(huán)境等的新要求也在逐年提高。這也要求在設(shè)計(jì)功率電路時(shí)應(yīng)滿足新需要[1,2]。與其他功率模塊相比，智能功率模塊IPM采用精型芯片，大幅降低控制電源的耗電量，在實(shí)現(xiàn)更低損耗的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了裝置的小型化和輕量化，并可以完全實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛化。

本系統(tǒng)以450W直流無(wú)刷電機(jī)為被控對(duì)象，基于三菱公司的智能功率模塊PS21265及德州儀器公司的控制專(zhuān)用DSP芯片TMS320F2812，利用PI控制方案，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了速度、電流雙閉環(huán)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)全數(shù)字化伺服系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)原理及硬件電路設(shè)計(jì)

2.1流無(wú)刷電機(jī)的工作原理

直流無(wú)刷電機(jī)可以看作是一臺(tái)用電子換相裝置取代機(jī)械換相的直流電動(dòng)機(jī)，如圖1所示，永磁直流無(wú)刷電機(jī)主要由永磁電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相電路組成[3]。

圖1 三相無(wú)刷直流電機(jī)原理圖

普通直流電機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，而定子產(chǎn)生固定不變的磁場(chǎng)。為了使直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，需要通過(guò)換向器和電刷不斷地改變電樞繞組中電流的方向，使兩個(gè)磁場(chǎng)的方向始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)。直流無(wú)刷電機(jī)去掉了電刷，做成與普通直流電機(jī)相反的結(jié)構(gòu)：將電樞放到定子上，轉(zhuǎn)子使用永磁體。為了使電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，必須使定子電樞各相繞組不斷地?fù)Q相通電，這樣使定子磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)子的位置不斷變化，使定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)始終保持90°左右的空間角，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[4]。

2.2系統(tǒng)概述

直流無(wú)刷電機(jī)由智能功率模塊(IPM)驅(qū)動(dòng)，它集成了三相IGBT逆變器及其驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路，其控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。單相交流電經(jīng)過(guò)整流濾波得到的直流電壓，再經(jīng)過(guò)IPM逆變后輸出作為電機(jī)的三相輸入。電機(jī)的電流信號(hào)由霍爾電流傳感器獲取，只需采集兩相獨(dú)立的電流信號(hào)即可。電機(jī)的位置信號(hào)由安裝在機(jī)軸上的霍爾傳感器器獲得，速度信號(hào)由安裝在機(jī)軸上的光電編碼器獲得。整個(gè)伺服系統(tǒng)的控制電路以TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器為核心，它完成直流無(wú)刷電機(jī)數(shù)字控制中的傳感器信號(hào)的采集與數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的PI控制算法，產(chǎn)生控制電力電子器件(IGBT)開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.3功率電路

功率電路主要是指整流環(huán)節(jié)和三相逆變環(huán)節(jié)，在整流環(huán)節(jié)中本系統(tǒng)采用的是一個(gè)單相整流模塊，整流環(huán)節(jié)如圖3所示，220V單相交流電經(jīng)過(guò)整流器整流為310V直流電，再經(jīng)過(guò)濾波后進(jìn)入逆變環(huán)節(jié)。

三相逆變環(huán)節(jié)則采用了智能功率模塊(IPM)，IPM的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。PS21265需要四組15V驅(qū)動(dòng)電源，上橋組用3個(gè)電源，下橋共用一個(gè)電源，接入VCC引腳引腳。六個(gè)引腳(UL，VL，WL，UH，VH，WH)是經(jīng)過(guò)光藕隔離后PWM+5V輸入的控制端。UO1，VO1，WO1是三相輸出電壓，用于控制直流無(wú)刷電機(jī)，需要約10K上拉電阻接至5V電源電壓。由于IPM內(nèi)部集成了IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，所以在使用時(shí)可將DSP輸出的PWM信號(hào)經(jīng)光耦隔離后直接輸出給IPM。PS21265內(nèi)部具有SC(短路)、OC(過(guò)流)、UV(欠壓)、OT(過(guò)熱)四種自保護(hù)電路。如果以上四種電路中有一種動(dòng)作，三相橋臂中的六個(gè)IGBT就會(huì)馬上關(guān)斷同時(shí)IPM會(huì)輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)的故障信號(hào)以便通知系統(tǒng)控制器。在IPM中A，B，C三相橋臂的每個(gè)上管都分別有自己獨(dú)立的SC，OC，UV，OT保護(hù)電路，而三相橋臂的下三管則共用一個(gè)保護(hù)電路，所以整個(gè)IPM模塊中共有4個(gè)保護(hù)信號(hào)輸出。這4路信號(hào)在輸出給外部器件時(shí)也要先經(jīng)光耦隔離。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制電路時(shí)可將這4路信號(hào)綜合后輸?shù)紻SP的引腳，以便故障時(shí)及時(shí)封鎖DSP的PWM信號(hào)。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

本系統(tǒng)采用MITSUBISHI公司第三代IPM中的PS21265，其特點(diǎn)和參數(shù)為[5]：

(1)應(yīng)用HVIC實(shí)現(xiàn)集成電平轉(zhuǎn)移，高電平導(dǎo)通邏輯，可與DSP/MCU接口兼容；

(2)輸入信號(hào)端內(nèi)置下拉電阻，外部無(wú)須再下拉電阻；

(3)輸入對(duì)地電壓典型值300V，橋式電壓輸出400V，峰值輸出電流12A；

(4)開(kāi)關(guān)頻率典型值5kHz；

(5)過(guò)流、短路、超溫、欠壓的狀態(tài)檢測(cè)和保護(hù)，故障信息顯示；

(6)單片集成的門(mén)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)邏輯。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是DSP根據(jù)獲得的電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值以及從傳感器信號(hào)測(cè)得的電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，用PI算法計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制量，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨轉(zhuǎn)速的設(shè)定值。根據(jù)轉(zhuǎn)速控制量和電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，依照控制算法計(jì)算出新的PWM脈沖的占空比，更新EVA定時(shí)器1比較寄存器的值，從而產(chǎn)生PWM信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

4 系統(tǒng)仿真與分析

本系統(tǒng)利用Matlab/Simulink建立起來(lái)直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，主要包括電機(jī)本體模塊、逆變器模塊、轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊、位置模塊和脈寬調(diào)制模塊，并實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的控制算法。

其中，轉(zhuǎn)速的給定值為560rpm。電機(jī)的主要參數(shù)為磁極對(duì)數(shù)為2對(duì)極；額定功率為450W，額定電壓為220V，額定電流為2.5A，最大電流為5A，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.086KG·m2，氣隙磁通為0.09365WB，電樞電阻為7.65Ω，與實(shí)驗(yàn)電機(jī)一致。

圖4 空載時(shí)速率響應(yīng) 圖5 突加負(fù)載時(shí)速率響應(yīng)

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速(大約為0.02s時(shí))上升到給定值560rpm，當(dāng)在0.04s時(shí)突加0.3Nm的負(fù)載后，電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生突降，但能迅速恢復(fù)到平衡狀態(tài)。從仿真結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)所建的電機(jī)和控制系統(tǒng)模型基本符合實(shí)際，并且具有較好的動(dòng)態(tài)性能。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)是以三菱公司的智能功率模塊PS21265及德州儀器公司的控制專(zhuān)用DSP芯片TMS320F2812為核心芯片的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軟件實(shí)現(xiàn)方便，系統(tǒng)的功耗低、控制精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、升級(jí)空間較大，而且能夠?qū)崿F(xiàn)的控制功能豐富。尤是其內(nèi)部的高速捕獲單元、脈寬調(diào)制等模塊，非常適用于直流無(wú)刷電機(jī)控制這樣的實(shí)時(shí)應(yīng)用中。本系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了基本控制，功能相對(duì)單一。為使系統(tǒng)更具實(shí)用性，可開(kāi)發(fā)非線性補(bǔ)償、參數(shù)優(yōu)化、故障診斷、多機(jī)協(xié)調(diào)控制等功能。

[1] 曲家騏.展望 21 世紀(jì)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)[J].微特電機(jī)，1999(4)：41-43.

[2] 鄭吉，王學(xué)普.直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)綜述[J].微特電機(jī)，2002(3)：11-13.

[3] 胡寶興.基于DSP的電動(dòng)自行車(chē)用直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2005.

[4] Bon-Ho Bae,Nitin Patel,Steven Schulz.New Field Weakening Technique for High Saliency Inte Permanent Magnet Motor.IEEE Transactions on Power Electronics,July,2003:898-901.

[5] DIP-IPM Ver.3 http://www.mitsubishicorp.com.

2013-09-14

羅丹羽(1981-)，女，漢，講師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娔軠y(cè)量與分析；

崔均亮(1974-)，男，漢，講師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄軆x器；

張麗娟(1982-)，女，漢，講師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制。

ApplicationofIPMPS21265inBLDCMServoSystem

LUODan-yu,ZHANGLi-juan,CUIJun-liang

(Zhengzhou Electric Power College，Zhengzhou 450004，China)

This paper presents the theory and process of the design for BLDCM using IPM PS21265,and analysis of BLDCM control theory.Take advantage of the mathematical model on BLDCM control system for the simulation.the results shows that the motor start fast and stable with wider area of speeding.and this BLCDM control system has the characteristic of simple structure,high dependability,and can be used in many fields.

IPM PS21265 servo system BLDCM

1004-289X(2013)06-0084-03

TM33

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