六相感应电机数字控制系统硬件设计

李 山，刘述喜，姜 程，王 博

（重庆理工大学电气工程与自动化系，重庆 400054）

1 引言

多相电机与三相电机相比，有许多突出的优势，例如多相系统能减小转子谐波损耗和直流母线上的谐波电流，减少转矩脉动[1]。六相电机已经被应用在推进系统中，比如船舶推进系统和电车推进系统。由于可靠性高和优越的电磁转矩特性，多相电机正越来越多的被学者们所研究。本文根据六相电机的特性，自行设计了一个基于数字信号处理器的六相电机控制系统硬件平台，以便实现六相感应电机多种控制方案。

2 系统主电路设计

系统的整个硬件实验平台由调压器、电机控制器、六相感应电机、信号（电流、转速等）测量和计算机数据采集系统几个部分构成，如图1所示。调压器可以用于慢慢增大直流母线电压。

图1 实验总体平台框图

图1中的电机控制器是把主电路和控制电路看成一体。主电路的功能主要是要实现AC-DC-AC的功率转换，控制电路主要是接收检测信号经运算后发出控制信号，使六相电机得到其需要的交流电的电压与频率。主电路与控制电路的所有部件都固定在一块绝缘板上，主电路与控制电路分开到两个区域安装，可以避免相互之间的干扰，电机控制器有两电源接入，一个是主电路用的380 V三相电源，一个是控制电路用的220 V单相电源。如图2所示。

图2 系统主电路结构

图2中整流电路采用不可控整流桥，而逆变器则是整个系统的受控对象，其控制精度和可靠性直接影响到整个系统的设计性能。首先三相电压为工业用380 V交流电，由于系统对于整流后的波形要求并不高，就直接采用三相不可控整流桥。因为是六相电机，逆变部分输出六相电压，逆变器件采用智能功率模块（IPM）PM75DSA120，额定电流75 A，额定电压1200 V，属于两单元IGBT模块，所以共需要6个IPM模块，IPM模块将功率模块、驱动电路、保护电路集于一体，使整个系统的开发工作变得快捷而方便[2]。我国的市电电压波动比较大，为防止直流侧中有高次谐波，在IPM的P，N直流电压端前加上一个大电容进行滤波，并缓冲感应电机无功功率[3]。

3 DSP控制电路

DSP控制板是整个控制系统的运算核心，同时还包含了系统对外的通讯和仿真接口，本文选用了TI公司的 TMS320F2812（150 MHz时钟频率）作为控制芯片，它将实时处理能力和控制器外设集于一身，被广泛用于工业电机驱动系统[3]。本文中用到的DSP外围电路如图3所示。

3.1 电源电路

DSP系统一般都采用多电源系统，电源及复位电路的设计对系统的性能有重要的影响。TMS320F2812是一款低功耗设计的芯片，该电压为1.8 V，I/O电压为3.3 V。本文采用TPS767D318芯片，能将5 V电压变化成3.3 V和1.8 V两种不同的电压，如图4所示。

TMS320F2812 DSP的时钟电路可以有两种连接方式，即外部振荡器方式和谐振器方式，本文选用的是谐振器方式，其电路简单，只需一个晶振和两个电容即可[4]。

图3 DSP及外围电路框图

3.2 DSP与JTAG的接口设计

DSP仿真器通过DSP芯片上提供的仿真引脚实现仿真功能，如图5所示。扫描仿真扫除了传统电路仿真存在的电缆过长会引起的信号失真及仿真插头可靠性差的问题，扫描仿真使得在线仿真成为可能，给调试带来极大方便。

图4 电源变换电路

图5 JTAG接口电路

3.3 DSP的串行接口设计

由于TMS320F2812芯片的SCI接口的TTL电平与PC机的RS-232电平不兼容，所以连接时必须要经过电平转换，本文选用MAX202E芯片驱动串行通信。其集成度高，而且具有两个接收和发送通道。串行接口电路设计如图6所示。

3.4 主控制电路调试经验

在调试主控制电路时，应特别注意系统板的供电电源有很好的恒流恒压性，系统板供电电源应是5 V，电压如果过低，由JTAG向Flash烧入程序时会出现错误提示，电压如果过高，则会烧坏DSP芯片，所以在加电后，应用手感觉芯片是否特别热，如果发现芯片太热，则应立即断掉电源，重新检查电路。所以，应该高度重视电源质量。

图6 串行接口电路

4 信号隔离电路

由DSP输出的PWM控制信号需要经过一定的转换与隔离才能对功率器件进行控制，这其中不仅要保证控制信号的驱动能力，同时还要保证准确性与抗干扰性[5-6]。逆变电路选用三菱公司的PM75DSA120的智能功率模块（IPM）。它是将IGBT开关器件配套的驱动电路、检测电路与保护电路以及某些接口电路和功率模块都集成到一起的集成功率模块。

PM75DSA120是一个两单元IPM模块，只能作为一组上下桥臂的功率块，当控制信号（栅极驱动）与主电路共用一个电流路径时，由于主回路有很高的di/dt，致使在具有寄生电感的功率回路产生感应电压，而导致可能感应到栅极把本来截止的IGBT导通，因此IPM需要两组相互隔离的电源，上下桥臂各一个。因为是六相电机，需要两组三桥臂的驱动模块，因此，本文需要6个PM75DSA120模块。每三个组成一组，用于驱动电机的其中三相。由于DSP TMS320F2812有两个事件管理器 （EVA和EVB），每个事件管理器的全比较单元刚好可以发出6个PWM信号，可以驱动3个PM75DSA120模块。两个事件管理器则刚好可以控制六相电机需要的12个 PWM 信号，DSP的 EVA驱动电机的 A，C，E相，EVB则驱动电机的B，D，F相。

DSP发出的PWM信号不能直接连接到IPM上，而是需要一个隔离电路，这里采用IPM专用的高速光耦HCPL4504，如图7所示。从第6脚输出信号接IPM模块输入。

图7 DSP输出驱动信号隔离电路

图8为驱动信号实验测试波形，上下IGBT器件的驱动信号互补，且留有几个us的死区，避免桥臂直通。

图8 一组驱动信号实验波形

作为一个完善的控制系统，故障的检测和保护电路是必不可少的。本系统中，过压、过流、过温保护均集成在IPM器件上，每一个单元都有单独的过压和过流保护，当有故障发生时，IPM会封锁住所有的输入信号，停止输出驱动电压，并且会发出一个错误信号F0，因此，必须有一个外部电路检测到这个信号，并将其送至DSP中的PDPINT引脚，当IPM模块正常工作时DSP的PDPINT引脚为高电平，DSP正常输出脉宽调制波，如为低电平，说明IPM模块已经检测到故障，如过流、过温等，则DSP的PWM引脚被置为高阻态，封锁PWM输出。由于保护电路属于系统的弱电控制，而故障信号又是从系统的主电路取出的，为保证系统稳定要实行弱电与强电的隔离，本文采用PC817作为错误信号隔离电路，如图9所示。

图9 错误信号隔离电路

5 信号检测电路

电机的控制系统大多是通过闭环进行控制的，为了实现闭环控制，首先要将控制量（电压，电流等）检测出来，然后再反馈给控制系统，检测电路是交流控制系统中的重要组成部分，它的设计是否合理，直接影响到装置运行的可靠性和控制的精度。由于电机是采用电压源型逆变器供电，电流波形是含有高次谐波的毛刺形状，DSP的AD转换器只能接受幅值在一定范围（0～3.3 V）内变化的电压信号，因此模拟量输入通道设计应考虑滤除干扰，极性变化和幅值变换等因素，然后再把电压信号输入到A/D转换器，以便DSP采样处理。本系统采用LEM霍尔电流传感器LT100-P，它的工作电压是±15 V，输入输出比是1000：1，霍尔传感器输出的是弱电流信号，因此要把霍尔传感器的电流信号转换为电压信号，然后再经电压跟随器，再经过滤波处理，但此时霍尔传感器输出的是有正负的交流信号，而TMS320F2812的AD口的输入需是0～3.3 V的电压信号，所以为了AD转换器既能转换其正信号，又能转换其负信号，还需要将电压信号提升，将其负信号全部提升至正电压信号以适应DSP的输入需求，电路设计如图10所示。

运放MCP604构成了一个巴特沃斯有源低通滤波器，为了使AD采样能够正确的反映电流的变化情况，同时也滤除干扰，滤波器的截止频率设置为10 kHz。对电机相电路进行检测，并在DSP编译环境显示出来，如图11所示。

图10 信号检测电路

在完成硬件设计后，系统实验波形如图13所示。

图11 DSP开发环境显示相电流波形

对图11所示的电流采样信号进行FFT分析，得到图12所示的波形，可以看出，谐波含量很少。这样可以在开发环境中可以充分利用DSP资源。

图12 电流信号FFT分析

图13是在完成硬件设计各部分单元测试后，编写了SPWM测试程序，IPM模块一组桥臂输入电压波形。上下IGBT互补，呈现正弦脉宽调制形式，不足之处就是毛刺较多，还需改进。

图13 IPM模块一组输入互补SPWM波形

6 结语

硬件平台是电机控制的物质基础，本文基于中高端芯片DSP2812和IPM模块架构，介绍了用于六相感应电机控制硬件平台设计方法，包括主电路和控制电路。由于主要用于研究生实验，所以有些方面仍需改进。DSP具有高速运算能力，实时控制性能及较高的采样精度，使当前一些先进的控制策略，如矢量控制或直接转矩控制达到预期的效果，下一步工作就要开展六相电机的高性能控制。

[1]李永东.交流电机数字控制系统[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2]刘和平.数字信号处理器原理、结构及应用基础----TMS320F2812[M].北京:机械工业出版社,2007.

[3]陈伯时.交流调速系统[M].北京:机械工业出版社,2003.

[4]苏奎峰.TMS320F2812原理与开发 [M].北京:电子工业出版社,2005.

[5]刘述喜,王明渝.基于DSP的感应电动机直接转矩控制系统设计[J].电力电子技术,2006，40（5）：112-115.

[6]刘述喜,王明渝.基于DSP的电机数据采集卡设计[J].微特电机,2008,36（12）：22-25.