一种高功率密度电机驱动器的设计实现--张允志，曹为理，韩瑜

摘要: 针对车载驱动领域对低压小体积大电流电机驱动器的实际需求，设计实现了基于TI的TMS320F2812为主控单元，以增鼠式编码器、小阻值大功率采样电阻为电机速度及电流采集单元，以低压小封装大电流MOSFET为功率驱动单元的低压高功率密度电机驱动器。详细介绍硬件设计方案,通过高密度PCB设计及相关结构工艺设计,并配合相关的速变嵌套分段控制及参数检测程序,提高了驱动器的集成度及可靠性。以额定电流为20A的直流伺服电机为测试电机,测试表明:系统运行稳态精度较高,加载响应稳定可靠。

引言
现代电机伺服系统最早被应用到宇航及军事领域，后来才逐渐进人到工业、民用领域。据调研，在车载等低压环境特种工控领域中，由于其应用环境恶劣，系统集成度高,往往要求产品具有较好的环境适应性及较小的空间占用比，而类似的电机驱动产品国内普遍较少，因此设计此类电机驱动器有助于打破国外相关的技术封锁，提高我国自动化装备系统的国产化比率。

针对上述情况，本文设计实现了一种基于TI的TMS320F2812为主控单元，以增量编码器及采样电阻为信号采集单元，以MOSFET为功率驱动单元的低压高功率密度电机驱动器,并在结构上进行紧凑设计及相应的散热设计。该驱动器具有稳态精度高、结构简单紧凑、运行稳定可靠等特点。

1. 系统控制原理
本文测试电机选用直流伺服电机2，直流电机转速n为

      n=(U- IR)/(KP)

式中，U为电枢电压; I为电枢电流; R为电枢电阻;φ为每极磁通量;K为与电机结构有关的常数。

本文采用调压调速的控制方法)，采用广泛使用的脉宽调制( PWM)变换器(或称直流斩波器)来控制电机电枢电压，实现大范围平滑调速。
系统控制方案采用两个控制回路，即速度环和电流环，均采用PI调节器。

2.系统硬件设计系统硬件包括主控单元、信号检测单元、功率驱动单元以及硬件故障保护单元，如图1所示。

2.1主控单元

主控单元主要包括DSP信号处理器电路和逻辑互锁电路。
DSP处理芯片选用I公司的TMS320F2812作为控制器，该系列DSP的高速性能使其能够处理多路数据，实现多通道控制转换。其主要完成指令接受、各种信号采集、PWM信号生成、输出力矩控制、速度跟踪控制、故障处理等任务，是全系统的核心。
逻辑处理电路主要实现PWM输出电平的逻辑互锁以保护MOSFET逆变电路。

2.2信号检测单元

为实现直流电机的驱动控制，需要检测直流母线电压、电机电枢电流、转速及转子的角度。主要包括电机电枢电流采样电路、直流母线电压采样电路、模拟信号输人及数字I/0信号接口电路。调理电路对各种数字模拟输人输出信号进行归一化、数字化处理后送人DSP。.

2.2.1电机相电流检测电路
电机电枢电流检测电路通过低阻值采样电阻5mQ/2w进行相电流的分压采集，然后经过运放转换后输入DSP进行电流反馈闭环运算。该电流检测电路(4]的实现方案如下:
系统设计额定采样电流20 A,经电阻分压为0.1 v,过载采样电流28.2A,经电阻分压为0.141V,经电流采样芯片IR2175S输出频率为130 kHz、占空比不同的PWM波送人DSP相应的CAP口以采样PWM波的占空比来反应当前相电流大小。其中IR2175S额定输人为-260mV~ +260mV,输出PWM占空比约为9%-91%,并有过电流信号/0C。供电电源均由MOSFET驱动芯片自举电容供给。

2.2.2直流母线电压电流采样电路

驱动器可通过大电阻分压的方法把直流母线端直流电压转换成0~3 V电压，并通过一-阶有源滤波电路输人至DSP的AD口进行采样。

2.2.3电机速度及角度测量电路

电机速度及角度测量电路最大输出5 V/200 mA功率供给，速度反馈传感器为标准5 V差分增量信号接口，信号标号为CHA+、CHA-、CHB+、CHB一、INDEX+、INDEX-,其中INDEX信号用于电机零点判定，增量信号通过电平转换电路输人至DSP芯片,并用于电机角度的精确测定及校正。本文运用T法对电机角度做差值以实现对电机速度的测定。

2.3功率驱动单元

功率驱动单元采用目前主流的线性PWM驱动方法，此方法可实现电机的四象限运转,适用于电机位置控制、速度控制及转矩控制，并且可应用于交流电机和直流无刷电机。

驱动器输入电压为DC7.5-59 V。MOSFET 的额定电压=输人DC电压+再生制动电压增加量+浪涌电压+设计裕量，一般考虑MOSFET额定电压控制在母线电压的1.5~2倍左右。系统的母线电压最大为60 V,因此MOSFET额定电压至少为90 V。驱动器的额定电流为20 A,过载电流为28.2 A,因此在保证足够散热能力的前提下可选用60A以上漏极电流的MOSFET,因此选型为英飞凌的型号为BSCO60N10NS3的MOSFET,其源漏耐压为100V,漏极电流为90A。

MOSFET驱动芯片选用TI的LM5101驱动芯片。LM5101栅极驱动电压输出范围9~14 V,具备欠压硬件保护，无保护输出口，其驱动上下边沿及延迟总时间小于66ns。逆变电路原理图如图2所示。

控制MOSFET用的PWM控制信号由DSP产生，其频率为10 kHz,并进行逻辑保护处理，而后直接输人至LM5101并输出12V电平的PWM波控制
MOSFET以驱动电机。

2.4   故障保护单元

故障保护单元主要包括PWM逻辑保护电路、制动保护输出、过温保护电路等。

2.4.1PWM逻辑保护电路

作为功率器件MOSFET的核心输入信号，PWM.波的输出必须保证不存在使MOSFET上下桥路直通的信号，因此我们在驱动芯片输人前端设计逻辑保护电路，其电路输出信号一路送给三态门芯片用于保护PWM信号，另一路送人DSP的GPIO口用于检测报错信号。若出现逻辑错误则直接置低PWM输出信号，并输出报警信号,其原理图如图3所示。

2.4.2制动保护输出电路

电机制动时，由于电机馈能作用很容易导致直流母线端电压的升高，若冲击电压过高容易导致系统保护或损坏其他器件,因此在驱动器设计时预留的接人馈能电阻输出触点信号,同时在硬件上设计相应的电压比较器,从硬件上快速地对电机制动馈能进行释放，防止母线电压快速升高。2.4.3过温及 其他保护
采用LM26温控芯片作为温度传感器，输出温度信号及过温电平信号。
运算报错、过速、母线过压欠压、速度反馈故障、通讯故障均通过软件检测实现。其中运算报错为程序中对关键数据变量进行检测，当出现溢出乱码值时进行报错处理;过速、母线过压欠压为程序中对电机速度及直流母线的电压进行检测并做处理;速度反馈故障为程序中对出现的速度检测非正常值进行处理报错;通讯故障通过定时检测的方法进行连接正常与否的处理。

3系统软件设计

3.1系统主程序

设计系统软件开发环境采用n专用的DSP开发软件CCS5.4.0。

主程序在完成系统初始化后，循环执行系统使能自检、故障指示，在中断主程产中循环执行系统控制闭环算法、系统输人输出、速度监测、电流电压医障保护等功能。中断主程序流程图如图4所示

3.2   速度嵌套分段控制

系统在速度环的参数调节上根据专家经验值采用了嵌套式分段查表的技术，即先按照给定转速与反馈转速进行第一次分段， 然后在每一个分段内按照给定转速与反馈转速的差值再进行一次分段，这样不仅保证了高速与低速的平稳运行，还能及时快速地响应负载扰动。

所有的分段调节中在分段界限点采用速度转换缓冲区技术[51,即在两段速度调节区间之间设置缓中区间,进入缓冲区范围内的速度调节参数延续进入缓冲区之前的调节参数，以此使速度切换点变为速度切换区间，避免了系统在两段速度区间调节参数的频繁切换导致的调节不稳定，本文选用的测试电机额定转速3000 r/min,具体分段调节参数如表1所示。

3.3系统参数检测程序设计

3.3.1相电流检测

通过EVA中的CAP单元捕捉上升沿和下降沿,产生CAPINT1和CAPINT2外部捕捉中断。通过CAP中断程序计算两次中断之间的时间差值，该差值大小IR2175S(将U、V相电流转换成PWM波)输出的PWM波的占空比变化成线性关系，由此确定相电流的大小。中断处理流程如图5所示。

3.3.2其他参数检测

通过EVB中的QEP模块获取电机转速及角度信息。通过AD模块获取外部母线电压、电流模拟量对应的数字量。

3.4故障保护

针对系统运行中常见的故障，我们在软件保护中设计了过流、过载、过温、过压、欠压、超速及可能的软件运算错误等,当相应的软件故障发生时或有硬件故障信号输人时，在DSP的软件中通过置低所有PWM输出引脚，以使输人到MOSFET的电平全部置低以屏蔽PWM信号,并通过CAN或RS232接口将相关的故障信息反馈到上位机。

4. 工艺设计

驱动器功率密度较高，体积较小，因此印制板需进行高密度布线，根据实际工程经验我们采取了如下EMC设计:

(1) 在布线时需注意避免高频信号线、通讯线的信号之间干扰，并保证模拟地与数字地、驱动地与控制地应单点磁珠连接以减弱各电信号之间的干扰。

(2)MOSFET驱动芯片、自举电容、电流采样芯片应依次靠近排列，保证浮动电源的稳定。条件允许的情况下增加了10 μF及0.1 μF的母线滤波电容，提高输人电源及输出功率的稳定。

在充分考虑产品体积与散热的要求，我们进行如图6所示的结构设计，产品整体结构设计为两层，上层控制板与下层功率板之间通过插针连接并固定。功率板上面如图所示两条平行线上装有6个MOS-FET,与之对应底面设计有左右两条7 mm宽散热焊条，它们之间通过印制板内部多层覆铜导热，同时散热焊条通过回流焊的方式与底部散热板的凸台相焊接。

驱动器外壳通过注塑成型的方式做成盒状卡于散热板上。外壳、控制板及功率板上各预留2个2mm的灌封口，装配时先进行上下两板通过插针的焊接连接，再与底部散热板焊接连接，最后再卡上塑料外壳，装配完毕后，进行灌胶处理，增强元器件的抗冲击振动特性和散热效果。

5性能及功能测试分析

测试采用的直流伺服电机参数:额定功率1.1kW,额定转速3000r/min,最大电流28.6A,最大扭矩3.5N.m,工作电压48V。系统运行时电源输人为48V直流电压，取PWM开关频率10kHz,死区时间2μs,给定转速3000 r/min,速度环PI调节周期1ms,电流环PI调节周期100μs,测试数据通过串口采集，串口波特率设为115.2kbps。

电机带轻载条件下，给定速度2100 r/min然后再给定-3000xr/min,给定及响应曲线如图7所示,从图中可看出驱动器响应速度命令平稳，稳态误差<1.5%。

电机在额定电压额定转速下，逐步增加电机负载,直至驱动器设计最大容量20A,其实验特性曲线如图8所示，表明该驱动器硬件符合设计指标，即最大功率960W,体积长宽高尺寸仅为55x42x12mm。

上述测试数据表明系统具有良好的动静态控制性创及可靠的带载能力。

系统具有一定的故障报错处理功能，经测试事对过载、过速、PWM信号直通、直流母线过压欠压及软件运算等故障能够正确响应处理。

6.结语
实际实验和运行结果表明驱动器稳定可靠,功率密度高，带载能力强，并具有一定的故障报错理功能，控制板和功率板独立设计，以更好地增大系统的集成度，系统动静态性能良好。该系统被计应用于某小型车载雷达转台伺服系统，现场电测试结果表明系统运行平稳可靠,精度较高,各项保护功能合理有效，满足此转台系统对电机调速与伺服控制的性能要求。