北京永光高特微电机有限公司
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永磁直线无刷直流电动机控制系统

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:370

   摘要:介绍了一种基于TMS320LF2407的永磁直线无刷直流电动机控制系统的设计方案,对其中驱动电路、电流检测电路、动子位置检测电路、保护电路等内容进行了讨论,给出了硬件电路和软件程序框图。实践证明该设计切实可行。

1前  言

   永磁直线无刷直流电动机(1inear permanent magnet brushless DC motor,以下简称LPMBDCM)是一种新型的直线电机,与其他类型的直线电机相比具有单位出力大、调速性能好、定位精度高及易于控制等优点,有着广泛的应用前景。深入研究其结构与动态性能的关系,减少推力脉动,将为开发研究此类电机应用于实际生产奠定理论基础。本文根据

系统控制对象的特点,从模块化及数字化的角度出发,选取了适合于电机数字化控制的芯片TMS320LF2407,设计了基于DSP的永磁直线直流无刷电动机控制系统方案。

2系统总体方案的建立

2.1永磁直线无刷直流电动机的工作原理

   LPMBDCM系统一般是由LPMBDCM、逆变器和位置传感器等组成,如图1所示。逆变器采用120°电角度导通方式,即电机任一时刻有两个功率管导通,每隔60°电角度电流从一相换到另一相。驱动大功率管的是恒幅的PWM逆变器的调制输出信号,该信号经过放大后,使对应的功率管开或关,将直流电压变成幅值和频率可调的电压方波供给电机的动子线圈。

    图1  三相Y接LPMBDCM控制系统原理图

2.2硬件总体设计

   基于DSP的电机控制系统主要是由DSP接口电路、功率驱动电路、三相逆变电路、位置检测电路以及保护电路等组成,其控制系统原理图如图2所示。

   本系统采用:PWM方式实现对LPMBDCM的控制。其基本原理是交流输入经过整流、稳压后为逆变电路提供直流电源。速度给定由DSP的ADC口输入,经DSF的A/D转换单元将模拟信号转化为数字信号。根据给定的速度信号,DSP产生一定的PWM脉冲。经过调整:PWM的脉冲宽度控制功率管的开关时间,实现对LPMBDCM的控制。一旦产生故障,可通过故障保护电路,封锁PWM的输出直至故障排除。

   在实际硬件电路中,功率驱动电路由一片IR2130组成;7片光耦芯片6N137将主电路与控制电路隔离;三相全桥逆变电路由六片功率IGBT管IRL3705N(55V,89A)和6片续流二极管BY459—1500(1500V,30A)组成;电流检测电路由连接在逆变桥下端与功率板地线之间的采样电阻组成;保护电路主要包括过压过流等保护电路。由位置传感器

得到电机位置,进而得到正确的换相点。按照换相规律,由程序控制输出正确的PWM控制方波,经驱动电路控制相应的功率管的通断,实现电机的正确馈电,控制电机正常运行。在芯片IR2130内部,集成有过流保护功能。这样,整个控制系统在硬、软件的协同配合下实现对LPMBDCM的数字控制。

  图2主电路原理图

2.3驱动电路设计

   绝缘栅极双极型晶体管IGBT的栅极驱动电压一般为15V±10%,而关断负偏置电压为5~6V。因此我们选用了IR2130驱动IGBT。IR2130是一种专门用于开关功率器件栅极驱动的集成电路芯片。它驱动工作电压不超过600 V的电路中的MOS门器件,其输出的最大正向峰值驱动电流为250 mA,反向峰值驱动电流为500 mA,驱动信号延时达到纳秒级,开关频率最高为1 MHz。IR2 1 3 O内部具有2μs的死区时间,可以防止上下桥臂IGBT开关时可能造成的直通现象。同时,其片内还设计有过电流、过电压、欠电压保护功能,能够在检测到过流之后立刻封锁驱动电路,并通过引脚FAULT输出报警信号。用于逆变桥上桥臂IGBT的三路栅极驱动引脚具有的电压自举及浮动功能,可以保证开关器件开通所需的栅、源极间15 V的电压差,可靠地应用于高压系统。

2.4电流检测电路设计

本设计采用价格便宜的采样电阻来检测电流。如图3所示。采样电阻安装在功率驱动桥的下端与功放板地线之间,阻值为0.05 Ω,功率为5 w。其选定的阻值具有在功放板达到允许的最大电流时激活IR2130内置的过流保护功能。采样电阻上的电压降通过DSF。上的ADC单元,变为数字电流信号。为了实现20kHz的电流环,每50μs采样一次电流。在新的PWM脉冲产生之初,载人电流检测值,与给定的参考电流值一起来控制PWM脉冲宽度,从而产生新的PWM脉冲。同时,当电流检测值超过所允许的最大值即主电路过流时,发出中断请求信号,产生中断,执行相应的中断处理程序来启动过流保护程序,封锁所有驱动信号的输出,直至故障排除。

 图3电流检测电路

2.5动子位置检测电路设计

   磁极位置检测由三个霍尔传感器完成。传感器的输出端经过降压后直接连到DSP的捕获引脚上。本系统传感器采用美国Honeywell锁存型SS400,传感器由控制板上Vcc供电。根据LPMBDCM的原理,我们知道电机的换相是根据动子位移进行的。霍尔传感器输出三个交叠的周期信号,得到六个强制换向点,检测到传感器输出信号的上升沿和下降沿后,产生相应的中断信号并执行中断程序。传感器输出信号如图4所示,换向表如表1所示。

 图4位置传感器输出波形

表1电机正转换向表

2.6保护电路设计

   如图5所示,设三个电阻组合成的电阻值为Rf,主电路电流经过采样电阻后,得到电压降U0将U0信号直接连接到IR2130的ITRIP引脚上,与IR2130内部0.5 V比较,当电压信号U大于0.5 V时,IR2130封锁所有输出引脚,主电路断路,并置FAULT引脚为低电平,作为报警信号。当电压信号U0小于0.5 V时,电路正常工作。I0=0.5/Rf就是要限制的电流最大值。本文中,Rf=0.0333 Ω,因此,本系统能承受的最大电流为15 A。

   图5保护电路图

3系统软件设计方案

   系统软件是实现控制的关键部分。软件设计较硬件设计具有更大的灵活性,这也给系统的设计带来了很大的便利。本文整个控制系统的软件主要由主程序和中断服务子程序、功能服务子程序组成,采用汇编语言编程,全部模块化编程。

3.1 DSP主程序设计

   主程序主要任务是初始化DSP的若干控制寄存器(包括设定系统时钟,软件看门狗时钟、系统状态寄存器等)、初始化I/0端口(包括设定2407片内多路复用I/O口功能与极性)、初始化中断(确定系统所要使用的中断类别及中断源)及初始化系统控制变量和标志值(确定PWM占空比等变量)。系统初始化完成后,DSP进入一个查询操作的循环过

程,程序不断的查询是否有位置传感器捕获中断信号,若有中断信号,则调用捕获中断程序,判断通电绕组以及运动方向,起动电机。主程序流程图如图

    图6主程序流程图

3.2换相控制模块

   换相服务子程序主要包括六个程序段,他们分别对应电机的六个通电状态:4+日一(表示导通4、B两相,电流从A流向B,C相关断,以下类似),A+C一,B+C一,A—B+,C+A一,B—C+…。这些程序段的基本功能相同:

   (1)开通三相全桥逆变电路和相应的功率管,以给相应定子绕组馈电。

   (2)重新装载占空比,调整PWM波输出。

 图7换相控制模块流程图

3.3动子位置检测模块

   动子位置检测主要通过CAPTURE中断服务程序,捕获到三相位置信号的上升沿或下降沿,然后读出三相位置信号的状态。如果以一个字节的低三位表示A、B、C位置信号的状态,高电平为1,低电平为O,则可以检测到001到110六种状态,并将这些状态作为换相控制字。DSP根据检测到的控制字调用换向程序,其程序流程图如图8所示。

    图8捕获中断程序流程图

3.4电机相电流试验波形

   从图9中可以看出,相电流波形为方波,图中换相点的电流谷点是处于动子绕组换流产生的,这是电机固有特性。谷点的存在也是造成转矩脉动的原因之一,同时也造成了系统低速运行不平稳性。

    图9永磁直线直流电动机电流波形

4结  语

   根据本文内容设计并实现的LPMBDCM控制系统,在实验室已调试成功,该电路软件仿真和硬件实现已通过验证,取得了很好的效果。实践证明本文的设计是可行有效的。

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