基于DSP控制的IPM数字化电机伺服驱动系统设计概要

微电机2010年第43卷第4期基于DSP 控制的IPM 数字化电机伺服驱动系统设计李长诗,王素梅(郑州轻工业学院机电工程学院,郑州450002摘要:文章以基于T MS320LF2812DSP 的电机数字化控制系统为应用平台,阐述了驱动系统及其外围电路硬件设计。详细给出了整流逆变,功率驱动,过压欠压保护,光耦隔离等电路设计,并针对数字化控制给出了特定DSP 芯片所需的内部电源转换电路。实验及仿真结果表明该驱动系统工作性能稳定、抗干扰性强,具有很高的应用价值。关键词:整流滤波;I P M 智能模块;DSP中图分类号:T M271+182文献标志码:A 文章编号:100126848(20100420042203D esi gn of Sw itch i n g Power Supply Ba sed on D SP D i g it a lM otor Con trolli n g Syste mL I Chang 2shi,WANG Su 2mei(Mechanical and Electr onic college,Zhengzhou I nstitute of L ight I ndustry,Zhengzhou 450002,China Abstract:Based on the app licati on p latfor m of the DSP contr olling syster m of mot ors,exposited the hardware design of the driving syste m and power secti on .It gave rectifier inverter,power driving,over 2voltage and under 2voltage p r otecti on and op t ocoup ler is olati on circuits,p resented the internal power con 2versi onal circuit for DSP chi p s according t o digital contr ol of mot ors .The ex peri m ental result indicate that the driving system has the stable perf or man high anti 2interference,high value .Key W ords:Rectifier filter;I P M;DSP 收稿日期:2008209205修回日期:20082102270引言在提高工作效率,减少资源污染与浪费,提高电机各种运行性能的要求下,电机的数字化控制系统已经是本领域研究的热点。本文以基于TI 公司T MS320F2000系列DSP 的三相电机数字化控制系统研究这一实验项目为应用平台,重点研究了系统电源部分电路设计,主要包括整流、D I P -I P M 逆变、过压欠压保护电路、光耦隔离、辅助电源转换电路等,其优越性体现在实现电压值多路输出的同时,又可以使元件稳定可靠地工作,实现系统的抗干扰稳定运行。实验及应用结果表明该电路具有良好的性能和很高的应用价值。该控制系统选用功率为0175k W ,额定转速为1500r/m in 的Y 型交流电机。文中所用元器件参数及各种模块的选取均是根据电机运行参数而定1。1系统硬件驱动框图电机数字化控制系统的控制部分以DSP 为核心,另外还要电源处理模块、I P M 驱动隔离控制模块、脉冲形成、转速位置检测模块、电流检测模块、显示模块、键盘接口模块等电路。电源部分的主电路采用交-直-交电压型变频电路,其中包括桥式整流、滤波电容和智能功率模块I P M 。总体结构原理图如图1所示,其工作原理是:DSP 接受采样电流和电压信号、电机转速和转子位置信号,运用控制算法,得到P WM 控制信号,经光耦隔离电路后,驱动I P M 开关器件。当系统出现短路、过流、过压、欠压、过热等故障时,DSP 将封锁P WM 输出信号,关断I P M 的输出,并通过指示灯显示2。图1控制系统结构框图2驱动系统主电路211整流电路系统电源分为控制部分和驱动部分,控制部基于DSP 控制的I P M 数字化电机伺服驱动系统设计李长诗,等分需要+5V ,15V 三路电源,其中+5V 给芯片及霍尔电流传感器供电,15V 给运放及外部保护电路供电;驱动部分需要+5V,+15V,+200V 三路电源,其中+5V 给光耦供电,+15V给I P M 供电,+200V 为母线电压。如图2所示,为了获得一个直流电压,市电电源经过压敏电阻R 7和扼流线圈T2,经过一个单相二极管桥式稳压流器。整流电压波形的滤波采用电解电容滤波器滤波,其电容量大小决定了整流电压的平均值和输出纹波电压的大小,网侧功率因数得到提高且不随输出电压变化。因为直流电源要保持一个相对稳定的状态,则电容器C 12要选择至少十倍于压电驱动器的电容值。C 7主要起高频旁路作用,减小电解电容高频损耗和整流电路承受的尖峰电压。压敏电阻实质是滑变电阻,当输入电压过高时,其自动调节电阻端电压值,起到保护作用,扼流线圈的作用是抑制浪涌电流,提供一个稳定的电压输出3。 图2整流电路212逆变及功率驱动21211功率驱动模块硬件电路逆变电路是该电源部分的关键电路,其功能是实现DC /AC 的功率变换4;因为此系统是速度位置闭环控制系统,光电编码器检测到的位置速度信号经过A /D 转换输入给DSP,DSP 根据电压波动自动调节P WM 脉冲,进而调节电压输出。此过程动态响应迅速,能够实现自动调节,与传统电机运行相比则具有很好的节能效果。I P M 出现过流、过温、短路故障时将输出报警信号,将此信号输入到DSP 的P DP I N T 引脚,当有任何故障状态出现时,P DP I N T 引脚被拉为低电平,此时DSP 内定时器立即停止计数,所有P WM 输出引脚全部呈高阻状态,及时产生中断信号,通知DSP 有异常情况发生。整个过程不需要程序干预,全部自动完成,实现各种故障状态的快速处理非常有用5。该电路把前级逆变器正弦电压滤波输出供给负载使用,并实现功率级与负载的隔离,包括输出LC 滤波电路和三相隔离变压器。模块电路简单,可靠性高,整机工作效率高。电路图如图3所示。 图3功率驱动部分21212I P M 缓冲电路设计由于I P M 在高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的d i /d t 、d v /d t 和瞬时功耗,给器件以较大的冲击、易损坏器件,可以考虑在智能模块外设置缓冲电路,如图4所示为常用的大功率I P M 缓冲电路。图4中电阻R 、电容C 、二极管D 构成的缓冲电路,缓冲二极管D 可箍住瞬变电压,从而抑制由于母线寄生电感可能引起的寄生振荡5。3外部隔离保护辅助电路311光耦隔离电路本文采用一种线性光电隔离电路,电路简单微电机2010年第43卷第4期实用,一般能达到015%的精度,在05V 内具有良好的线性。如图5所示从DSP 的CP LD 驱动输出与保护电路输出的DR I V E 信号,通过稳压放大环节进入光电隔离器,一方面实现电气隔离,一方面产生OPPER 信号,为6路HCP L4505高速光耦提供驱动信号以便产生P WM 信号。I P M 的六路输入信号为低有效,光耦的输出信号经过上位,默认为高,可以保证系统初始化的时候智能模块不动作,保证了逆变电路的安全。 312过压欠压保护如图6,电网电压整流为直流电压信号VDC,经电解电容C 平波得到稳定的直流电平,再与两个给定电位(一为过压,一为欠压比较,结果得到过压(欠压输出信号HV (LV 。正常情况下,隔离电路不通,当发生过压(欠压状态时,HV (LV 信号变低,从而触发DSP 的NM I 中断,调用过欠压中断处理程序,封锁交流脉冲,切断输入,起到保护作用527。 图6过压欠压保护电路313辅助电源的设计由于DSP 控制芯片CP U 内核电源引脚、I/O 内核电源引脚以及内部模拟电路电源引脚电压一般是313V 、118V 低压稳定、隔离电源,需要将得到的+5V 直流电进一步进行电源转换。本文选用L M1117系列集成芯片完成。电容滤除谐波,抵抗外界干扰。得到需要的电压值后,外接一个隔离电路既可以通入DSP 电源引脚。如图7所示。图7辅助电源电路4实验结果系统选用Y802-4型电动机,其输入电压为200V 230V ,额定输出功率为0185k W ;PS21265型I P M 智能功率模块,其额定电流20A ,额定电压600V ,适配电动机功率115k W /220VAC;TPS767D318双电压输出芯片,输人5V ,最大输出电流为1A 。依据上述元器件的选取对设计的电路进行实验,并给出了仿真实验波形,如图8所示。图中截取了电机稳态运行时的转子速度、转矩和三相电流波形图,稳态时P WM 脉宽的宽度按正弦分布。从图中看到,电机起动时,需要一段加速过程,电机定子三相电流比较大且频率比较低,波形为不太规则的正弦波,一段时间之后转速趋于稳定,在此电压下电机转速约为750r/s,稳态时定子三相电流为正弦波,电机的输出转矩和负载转矩相互平衡。图8转子速度、转矩、三相电流仿真波形图5结语本文以DSP 电机数字化控制系统研究为应用平台,重点讨论了系统中驱动部分电路设计,以采用智能功率模块I P M 芯片驱动为核心,其外围(下转第63页静音柴油发电机组并列运行同步跟踪控制研究王维俊,等3实验采用本文设计的发电机并列运行同步跟踪控制器对12k W静音柴油发电机组和30k W静音柴油发电机组分别进行12k W与12k W并列运行实验、12k W与30k W并列运行实验,每个实验重复进行10次。实验时,对每次从发出合闸指令到发电机组并列合闸的时间和合闸瞬间的冲击电流进行了记录,数据如下表所示:表1并列运行实验数据平均并列时间/s 并列瞬间冲击电流/A12k W与12k W并列实验21301731212k W与30k W并列实验216111415通过实验数据表明了本文设计的发电机并列运行同步跟踪控制器实现了发电机组安全、可靠、快速投入并列的要求。4结语本文通过对静音柴油发电机组并列运行同步跟踪控制系统的研究,设计了一种基于模拟电路的同步跟踪控制器,并通过实验验证了该设计的正确性,实现了发电机组安全、可靠、快速投入并列运行的要求。本研究对加强应急情况下的电能保障能力具有重要的意义。参考文献1毛龙波.移动式发电机组并列运行系统控制与功率分配研究D.重庆:后勤工程学院,2009.2郭云玲,马永翔.一种微机自动准同步并网装置设计J.电工技术,2008(9:77278.3李儒.小型柴油发电机组并联运行若干问题探讨J.节能技术,1999,17(5:9212.4王昊,李昕.集成运放应用电路设计360例M.北京:电子工业出版社.作者简介:王维俊(1964-,女,教授,博士生导师,从事电机设计、电力电子技术、电机控制研究。(上接第44页电路还包括光耦隔离、过欠压保护等,并且提供了芯片低压转换电路。从仿真波形图可以看到,系统具有很好的稳定性和抗干扰性。该驱动部分设计功能齐全且易于进行升级和功能扩展,在电机控制领域具有较高的理论参考和工程实用价值。参考文献1沈鸿.电机工程手册第九册M.北京:机械工业出版社,1980:5218.2王军,黄宇淇,姜新建.基于DSP的无刷直流电动机位置伺服控制器设计及试验研究J.微电机,2008,41(3:23226.3李凌志,张文志,孟瑞锋.基于DSP的无刷直流电机伺服控制系统J.机电工程,2007,24(5:66269.4孟武胜,杨鹏.基于DSP的永磁同步电机变频调速系统设计研究J.微电机,2006,39(9:74277.5李广海,叶勇,蒋静坪.I P M驱动和保护电路的研究J.电子技术应用,2003,49(12:43245.6翟海龙.无轴承永磁同步电机控制系统的设计与仿真J.中国电机工程学报,2005,25(14:1202125.7梁冰红.基于电压定向控制的P WM整流系统仿真的研究J.广西:广西大学,2006.作者简介:李长诗(1964-,河南太康人,副教授,高级工程师,研究方向为测控技术与仪器。