基于DSP28069的永磁電機容錯驅(qū)動系統(tǒng)*

王 壯， 趙文祥， 吉敬華， 朱紀洪

(1. 江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 清華大學 計算機科學與技術系，北京 100084)

0 引 言

DSP等高性能處理器的廣泛應用對電機驅(qū)動系統(tǒng)的靈活運行發(fā)揮著重要作用[1-5]，但對常規(guī)電機及其驅(qū)動系統(tǒng)存在一定的故障率，尤其在航空航天、軍事裝備等高可靠性需求領域。

相對于傳統(tǒng)電勵磁電機，永磁電機可以提高電機的效率和功率密度[6]。在此基礎上，為進一步提高系統(tǒng)可靠性，永磁容錯電機成為當今研究熱點之一[7-8]。在實際應用中，電機的故障率相對于驅(qū)動系統(tǒng)的故障率較低，容錯電機一般需要依靠增加電機相數(shù)來提高可靠性[9-10]，增加了成本和體積。本文設計了一種高可靠性的容錯控制系統(tǒng)，在不影響電機高效率的情況下，兼具高可靠性。將基于一臺三相9/6極的永磁電機為控制對象，設計了一套以DSP28069為核心器件，輔以CPLD進行邏輯控制的容錯驅(qū)動系統(tǒng)。9/6極永磁電機結構如圖1所示。

圖1 9/6極永磁電機結構

1 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)采用基于H橋的容錯驅(qū)動設計，實現(xiàn)電機各相驅(qū)動獨立控制?；贖橋的容錯驅(qū)動系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 基于H橋的容錯驅(qū)動系統(tǒng)

電機容錯驅(qū)動系統(tǒng)功能如圖3所示。依靠通信接口RS- 485，上位機向DSP發(fā)送速度控制指令，并實時顯示轉(zhuǎn)速、電流等信息。DSP指令跟隨速度控制信號，轉(zhuǎn)化為相應的PWM信號，經(jīng)過CPLD進行邏輯擴展，提供實際所需數(shù)量的PWM信號，減少了外圍電路。轉(zhuǎn)化后的PWM信號通過驅(qū)動芯片控制H橋電路的通斷，進而控制電機實時轉(zhuǎn)動。為實現(xiàn)高精度的驅(qū)動，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，對電機各相進行電流檢測。在DSP中，進行電流閉環(huán)控制，通過旋轉(zhuǎn)變壓器，獲得實時的速度和角度信號，反饋到DSP中，實現(xiàn)速度閉環(huán)控制。此外，為避免實際系統(tǒng)中電流過大，對電機和驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生致命的損傷，各相驅(qū)動系統(tǒng)采用電流保護措施。將過流信號傳輸?shù)紺PLD中，禁止該相驅(qū)動輸出。

圖3 電機容錯驅(qū)動系統(tǒng)功能

2 控制電路

控制電路主要由控制芯片和相關電源組成，其主要功能是實現(xiàn)各種程序算法，產(chǎn)生相應的驅(qū)動信號，控制驅(qū)動電路?？刂葡到y(tǒng)的核心處理器采用TMS320F28069，并以LC4256V-75TN100作為輔助控制器。TMS320F28069是一款電機數(shù)字控制浮點型DSP，具有控制程序編寫簡易、供電簡單、控制可靠等優(yōu)點，主要實現(xiàn)各種信號的采集換算和控制程序的轉(zhuǎn)換，包括電流換算、速度讀取、角度轉(zhuǎn)換、串口通信、閉環(huán)控制等任務。LC4256V-75TN100是一款簡易的CPLD，輔助DSP進行驅(qū)動信號的擴展和程序的邏輯控制及相應的驅(qū)動保護。

系統(tǒng)的主供電壓為+5V和+15V，而DSP、CPLD等芯片的供電需求為+3.3V，應進行電平轉(zhuǎn)換。TMS320F28069使用內(nèi)部參考電源模式，外部僅需供電+3.3V，內(nèi)部即可同時產(chǎn)生+1.8V，減少外部電源類型，簡化電源電路。LM3940是一款高集成的電源轉(zhuǎn)換芯片，用于+5V和+3.3V電源同時存在的場合，外部所需器件極少，帶有短路保護、溫度保護等功能?？刂齐娐分鞴╇娫吹碾娐穲D如圖4所示。發(fā)光二極管用來指示輸入電源是否正常，輸出端加不同數(shù)值的瓷片電容，可消除不同頻段的高次諧波，提高電源質(zhì)量。

圖4 控制電路主供電源電路圖

3 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路主要由主驅(qū)動電路、電流檢測電路、速度檢測電路組成。其主要功能是響應控制電路的各種驅(qū)動信號，驅(qū)動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。

3.1 主驅(qū)動電路設計

主驅(qū)動電路是整個驅(qū)動系統(tǒng)的最終執(zhí)行部位，主要由開關管IGBT組成的H橋電路和IGBT的驅(qū)動芯片及相關電路組成。H橋電路的驅(qū)動類似，以一相半橋驅(qū)動為例。一相半橋驅(qū)動電路圖如圖5所示。

圖5 一相半橋驅(qū)動電路圖

IGBT選用IXXH75N60C3D1，開關頻率可達60kHz，最高工作電壓600V，驅(qū)動電流最大75A。為加快IGBT關斷速度，防止輸出電壓振蕩，一般取接地電阻約1kΩ。在柵極處串聯(lián)1～22Ω的柵極電阻，控制柵極驅(qū)動信號的上升時間，避免柵極信號振蕩。在電源兩端并聯(lián)電容，可以消除一定的電源噪聲。

驅(qū)動芯片選用ADuM3223，內(nèi)部具有高低壓隔離，輸入3.3～5V的CMOS電平，兼容DSP和CPLD電平。輸出4.5～18V，為使IGBT嚴格導通，取15V驅(qū)動輸出。ADuM3223半橋驅(qū)動芯片帶有使能控制信號端，DISABLE管腳可用于保護控制。故障信號產(chǎn)生時，DISABLE管腳置高電平，使得驅(qū)動輸出保持低電平，IGBT處于關斷狀態(tài)。此外，H橋電路上橋臂與下橋臂的參考地不同，上橋臂為浮地?？紤]方便實用，采用自舉電路，使用自舉二極管和自舉電容配合的方式。

3.2 電流檢測電路設計

為實現(xiàn)電流閉環(huán)控制和過流保護設計，需進行電流檢測?？紤]實際電流需求和電路板大小限制及應用溫度范圍，選擇霍爾電流傳感器ACS714LLCTR-30A-T，各項指標都滿足要求。一相電流檢測電路及調(diào)理電路圖如圖6所示?；魻栯娏鱾鞲衅鰽CS714電流檢測范圍為±30A，對應輸出電壓范圍為0.5～4.5V。TMS320F28069的AD口電平最大為3.3V，為達到兼容，電流傳感器的輸出電壓范圍需按比例轉(zhuǎn)化到AD口電平允許的范圍內(nèi)。使用軌對軌的單運放OPA340，可靈活配置電阻，將電平轉(zhuǎn)化到安全范圍內(nèi)。

圖6 一相電流檢測電路及調(diào)理電路圖

3.3 轉(zhuǎn)速檢測電路設計

單獨采用電流閉環(huán)控制不能滿足系統(tǒng)需求，往往采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制策略。為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，需實時檢測速度信息，使用旋轉(zhuǎn)變壓器可實時獲得速度和角度信息。

AD2S1210是一款10～16bit分辨率的旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器。片上集成可編程正弦波振蕩器，可為旋轉(zhuǎn)變壓器提供正弦波激勵，且兼容DSP和SPI接口標準。該產(chǎn)品不僅可以讀取速度信息，還可以同時獲取角度信息，簡化控制程序。AD2S1210輸出差分式激勵信號，在與旋轉(zhuǎn)變壓器連接時，一般需通過緩沖電路。差分激勵信號的一路緩沖電路圖如圖7所示，另一路差分激勵信號的緩沖電路原理圖與此類似。

為實現(xiàn)單電源供電的簡便方式，給激勵信號加參考偏移電平，使輸出保持為正。一般偏移電平取5～6V。反饋端加電容，可以濾除輸出噪聲，提高輸出的可靠性。輸出端設計為推挽電路，實現(xiàn)整個激勵信號的放大。

圖7 差分激勵信號的一路緩沖電路圖

4 保護電路

在實際系統(tǒng)中，電流過流會對整個系統(tǒng)造成巨大的損傷，往往不可恢復。為避免此類危害，需設計過流保護電路。CPLD配合施密特觸發(fā)器的方式可大大簡化電路。施密特觸發(fā)器的閾值設置為電流傳感器輸出電壓值的有效范圍，超過閾值，輸出低電平，表明電流值超過最大量程，出現(xiàn)過流現(xiàn)象。低電平信號傳到CPLD中，進行邏輯控制，向相應驅(qū)動電路的DISABLE信號發(fā)送高電平，禁止驅(qū)動信號輸出，關斷該相IGBT。一相驅(qū)動電路的保護電路圖如圖8所示。

圖8 一相驅(qū)動電路的保護電路圖

AD8468是一款專門比較器。兩個比較器組合成施密特觸發(fā)器。設定高低壓閾值，對應電流傳感器輸出電壓的工作范圍。為兼容CPLD接口電平，與電流采樣類似，閾值需使用經(jīng)過電路調(diào)理后的電平。模擬的過電流保護波形如圖9所示。其中，通道1為模擬的實際電流傳感器輸出信號波形，通道2為經(jīng)過調(diào)理電路后的電流傳感器輸出信號波形，通道3為保護信號波形。保護信號低電平有效，虛線為設定閾值。由圖9可知，電平值超過閾值，保護信號立即變成低電平，進行過流保護。恢復到正常情況后，故障電平消除，可恢復驅(qū)動，具有一定的容錯功能。

圖9 過電流保護波形

5 試驗結果與分析

試驗以一臺9/6極永磁電機為控制對象，使用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制。給控制電路提供控制電壓+5V，給驅(qū)動電路提供驅(qū)動電壓+15V和工作電壓+84V，通過上位機向控制板發(fā)送轉(zhuǎn)速指令，電機在一定負載情況下，轉(zhuǎn)速達到2800r/min。用示波器測量一相H橋電路半個橋臂的驅(qū)動信號波形、輸出電壓波形及電機的相電流波形。半個橋臂的驅(qū)動信號波形和輸出電壓波形如圖10所示。其中，通道1為半橋的輸出電壓波形，通道2為電源波形，通道3為下管的柵極驅(qū)動信號波形，通道4是上管的柵極驅(qū)動信號波形。上橋臂采用自舉電路，與下橋臂的參考地不同，所以上管的柵極驅(qū)動信號波形為電源波形和實際柵極驅(qū)動信號波形的合成，符合驅(qū)動要求。

圖10 半個橋臂的驅(qū)動信號波形和輸出電壓波形

電機轉(zhuǎn)速2800r/min情況時，電機各相電流的波形圖如圖11所示。其中，通道1為實時角度值轉(zhuǎn)化的位置信號，在0°～180°時為高電平，在180°～360°時為低電平。通道2為電機A相電流波形，通道3為電機B相電流波形，通道4為電機C相電流波形。由圖可知，電機相電流符合電流正弦趨勢，相位符合實際情況，進一步優(yōu)化控制程序，可達到更好的控制效果。

圖11 2800r/min時電機各相電流波形

6 結 語

本文以DSP28069為核心控制器，輔以CPLD作為邏輯控制，旋轉(zhuǎn)變壓器為檢測元件的H橋驅(qū)動系統(tǒng)，成功驅(qū)動9/6極永磁電機，提高了整個系統(tǒng)的靈活性、可靠性，簡化了電路，具有實用價值。

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