北京永光高特微電機有限公司
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永磁直線無刷直流電動機控制系統

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:415

   摘要:介紹了一種基于TMS320LF2407的永磁直線無刷直流電動機控制系統的設計方案,對其中驅動電路、電流檢測電路、動子位置檢測電路、保護電路等內容進行了討論,給出了硬件電路和軟件程序框圖。實踐證明該設計切實可行。

1前  言

   永磁直線無刷直流電動機(1inear permanent magnet brushless DC motor,以下簡稱LPMBDCM)是一種新型的直線電機,與其他類型的直線電機相比具有單位出力大、調速性能好、定位精度高及易于控制等優點,有著廣泛的應用前景。深入研究其結構與動態性能的關系,減少推力脈動,將為開發研究此類電機應用于實際生產奠定理論基礎。本文根據

系統控制對象的特點,從模塊化及數字化的角度出發,選取了適合于電機數字化控制的芯片TMS320LF2407,設計了基于DSP的永磁直線直流無刷電動機控制系統方案。

2系統總體方案的建立

2.1永磁直線無刷直流電動機的工作原理

   LPMBDCM系統一般是由LPMBDCM、逆變器和位置傳感器等組成,如圖1所示。逆變器采用120°電角度導通方式,即電機任一時刻有兩個功率管導通,每隔60°電角度電流從一相換到另一相。驅動大功率管的是恒幅的PWM逆變器的調制輸出信號,該信號經過放大后,使對應的功率管開或關,將直流電壓變成幅值和頻率可調的電壓方波供給電機的動子線圈。

    圖1  三相Y接LPMBDCM控制系統原理圖

2.2硬件總體設計

   基于DSP的電機控制系統主要是由DSP接口電路、功率驅動電路、三相逆變電路、位置檢測電路以及保護電路等組成,其控制系統原理圖如圖2所示。

   本系統采用:PWM方式實現對LPMBDCM的控制。其基本原理是交流輸入經過整流、穩壓后為逆變電路提供直流電源。速度給定由DSP的ADC口輸入,經DSF的A/D轉換單元將模擬信號轉化為數字信號。根據給定的速度信號,DSP產生一定的PWM脈沖。經過調整:PWM的脈沖寬度控制功率管的開關時間,實現對LPMBDCM的控制。一旦產生故障,可通過故障保護電路,封鎖PWM的輸出直至故障排除。

   在實際硬件電路中,功率驅動電路由一片IR2130組成;7片光耦芯片6N137將主電路與控制電路隔離;三相全橋逆變電路由六片功率IGBT管IRL3705N(55V,89A)和6片續流二極管BY459—1500(1500V,30A)組成;電流檢測電路由連接在逆變橋下端與功率板地線之間的采樣電阻組成;保護電路主要包括過壓過流等保護電路。由位置傳感器

得到電機位置,進而得到正確的換相點。按照換相規律,由程序控制輸出正確的PWM控制方波,經驅動電路控制相應的功率管的通斷,實現電機的正確饋電,控制電機正常運行。在芯片IR2130內部,集成有過流保護功能。這樣,整個控制系統在硬、軟件的協同配合下實現對LPMBDCM的數字控制。

  圖2主電路原理圖

2.3驅動電路設計

   絕緣柵極雙極型晶體管IGBT的柵極驅動電壓一般為15V±10%,而關斷負偏置電壓為5~6V。因此我們選用了IR2130驅動IGBT。IR2130是一種專門用于開關功率器件柵極驅動的集成電路芯片。它驅動工作電壓不超過600 V的電路中的MOS門器件,其輸出的最大正向峰值驅動電流為250 mA,反向峰值驅動電流為500 mA,驅動信號延時達到納秒級,開關頻率最高為1 MHz。IR2 1 3 O內部具有2μs的死區時間,可以防止上下橋臂IGBT開關時可能造成的直通現象。同時,其片內還設計有過電流、過電壓、欠電壓保護功能,能夠在檢測到過流之后立刻封鎖驅動電路,并通過引腳FAULT輸出報警信號。用于逆變橋上橋臂IGBT的三路柵極驅動引腳具有的電壓自舉及浮動功能,可以保證開關器件開通所需的柵、源極間15 V的電壓差,可靠地應用于高壓系統。

2.4電流檢測電路設計

本設計采用價格便宜的采樣電阻來檢測電流。如圖3所示。采樣電阻安裝在功率驅動橋的下端與功放板地線之間,阻值為0.05 Ω,功率為5 w。其選定的阻值具有在功放板達到允許的最大電流時激活IR2130內置的過流保護功能。采樣電阻上的電壓降通過DSF。上的ADC單元,變為數字電流信號。為了實現20kHz的電流環,每50μs采樣一次電流。在新的PWM脈沖產生之初,載人電流檢測值,與給定的參考電流值一起來控制PWM脈沖寬度,從而產生新的PWM脈沖。同時,當電流檢測值超過所允許的最大值即主電路過流時,發出中斷請求信號,產生中斷,執行相應的中斷處理程序來啟動過流保護程序,封鎖所有驅動信號的輸出,直至故障排除。

 圖3電流檢測電路

2.5動子位置檢測電路設計

   磁極位置檢測由三個霍爾傳感器完成。傳感器的輸出端經過降壓后直接連到DSP的捕獲引腳上。本系統傳感器采用美國Honeywell鎖存型SS400,傳感器由控制板上Vcc供電。根據LPMBDCM的原理,我們知道電機的換相是根據動子位移進行的?;魻杺鞲衅鬏敵鋈齻€交疊的周期信號,得到六個強制換向點,檢測到傳感器輸出信號的上升沿和下降沿后,產生相應的中斷信號并執行中斷程序。傳感器輸出信號如圖4所示,換向表如表1所示。

 圖4位置傳感器輸出波形

表1電機正轉換向表

2.6保護電路設計

   如圖5所示,設三個電阻組合成的電阻值為Rf,主電路電流經過采樣電阻后,得到電壓降U0將U0信號直接連接到IR2130的ITRIP引腳上,與IR2130內部0.5 V比較,當電壓信號U大于0.5 V時,IR2130封鎖所有輸出引腳,主電路斷路,并置FAULT引腳為低電平,作為報警信號。當電壓信號U0小于0.5 V時,電路正常工作。I0=0.5/Rf就是要限制的電流最大值。本文中,Rf=0.0333 Ω,因此,本系統能承受的最大電流為15 A。

   圖5保護電路圖

3系統軟件設計方案

   系統軟件是實現控制的關鍵部分。軟件設計較硬件設計具有更大的靈活性,這也給系統的設計帶來了很大的便利。本文整個控制系統的軟件主要由主程序和中斷服務子程序、功能服務子程序組成,采用匯編語言編程,全部模塊化編程。

3.1 DSP主程序設計

   主程序主要任務是初始化DSP的若干控制寄存器(包括設定系統時鐘,軟件看門狗時鐘、系統狀態寄存器等)、初始化I/0端口(包括設定2407片內多路復用I/O口功能與極性)、初始化中斷(確定系統所要使用的中斷類別及中斷源)及初始化系統控制變量和標志值(確定PWM占空比等變量)。系統初始化完成后,DSP進入一個查詢操作的循環過

程,程序不斷的查詢是否有位置傳感器捕獲中斷信號,若有中斷信號,則調用捕獲中斷程序,判斷通電繞組以及運動方向,起動電機。主程序流程圖如圖

    圖6主程序流程圖

3.2換相控制模塊

   換相服務子程序主要包括六個程序段,他們分別對應電機的六個通電狀態:4+日一(表示導通4、B兩相,電流從A流向B,C相關斷,以下類似),A+C一,B+C一,A—B+,C+A一,B—C+…。這些程序段的基本功能相同:

   (1)開通三相全橋逆變電路和相應的功率管,以給相應定子繞組饋電。

   (2)重新裝載占空比,調整PWM波輸出。

 圖7換相控制模塊流程圖

3.3動子位置檢測模塊

   動子位置檢測主要通過CAPTURE中斷服務程序,捕獲到三相位置信號的上升沿或下降沿,然后讀出三相位置信號的狀態。如果以一個字節的低三位表示A、B、C位置信號的狀態,高電平為1,低電平為O,則可以檢測到001到110六種狀態,并將這些狀態作為換相控制字。DSP根據檢測到的控制字調用換向程序,其程序流程圖如圖8所示。

    圖8捕獲中斷程序流程圖

3.4電機相電流試驗波形

   從圖9中可以看出,相電流波形為方波,圖中換相點的電流谷點是處于動子繞組換流產生的,這是電機固有特性。谷點的存在也是造成轉矩脈動的原因之一,同時也造成了系統低速運行不平穩性。

    圖9永磁直線直流電動機電流波形

4結  語

   根據本文內容設計并實現的LPMBDCM控制系統,在實驗室已調試成功,該電路軟件仿真和硬件實現已通過驗證,取得了很好的效果。實踐證明本文的設計是可行有效的。

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