北京永光高特微電機有限公司
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一種高功率密度電機驅動器的設計實現--張允志,曹為理,韓瑜

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文章附圖

摘要: 針對車載驅動領域對低壓小體積大電流電機驅動器的實際需求,設計實現了基于TI的TMS320F2812為主控單元,以增鼠式編碼器、小阻值大功率采樣電阻為電機速度及電流采集單元,以低壓小封裝大電流MOSFET為功率驅動單元的低壓高功率密度電機驅動器。詳細介紹硬件設計方案,通過高密度PCB設計及相關結構工藝設計,并配合相關的速變嵌套分段控制及參數檢測程序,提高了驅動器的集成度及可靠性。以額定電流為20A的直流伺服電機為測試電機,測試表明:系統運行穩態精度較高,加載響應穩定可靠。

引言
現代電機伺服系統最早被應用到宇航及軍事領域,后來才逐漸進人到工業、民用領域。據調研,在車載等低壓環境特種工控領域中,由于其應用環境惡劣,系統集成度高,往往要求產品具有較好的環境適應性及較小的空間占用比,而類似的電機驅動產品國內普遍較少,因此設計此類電機驅動器有助于打破國外相關的技術封鎖,提高我國自動化裝備系統的國產化比率。

針對上述情況,本文設計實現了一種基于TI的TMS320F2812為主控單元,以增量編碼器及采樣電阻為信號采集單元,以MOSFET為功率驅動單元的低壓高功率密度電機驅動器,并在結構上進行緊湊設計及相應的散熱設計。該驅動器具有穩態精度高、結構簡單緊湊、運行穩定可靠等特點。

1. 系統控制原理
本文測試電機選用直流伺服電機2,直流電機轉速n為

      n=(U- IR)/(KP)

式中,U為電樞電壓; I為電樞電流; R為電樞電阻;φ為每極磁通量;K為與電機結構有關的常數。

本文采用調壓調速的控制方法),采用廣泛使用的脈寬調制( PWM)變換器(或稱直流斬波器)來控制電機電樞電壓,實現大范圍平滑調速。
系統控制方案采用兩個控制回路,即速度環和電流環,均采用PI調節器。

2.系統硬件設計系統硬件包括主控單元、信號檢測單元、功率驅動單元以及硬件故障保護單元,如圖1所示。

2.1主控單元

主控單元主要包括DSP信號處理器電路和邏輯互鎖電路。
DSP處理芯片選用I公司的TMS320F2812作為控制器,該系列DSP的高速性能使其能夠處理多路數據,實現多通道控制轉換。其主要完成指令接受、各種信號采集、PWM信號生成、輸出力矩控制、速度跟蹤控制、故障處理等任務,是全系統的核心。
邏輯處理電路主要實現PWM輸出電平的邏輯互鎖以保護MOSFET逆變電路。

2.2信號檢測單元

為實現直流電機的驅動控制,需要檢測直流母線電壓、電機電樞電流、轉速及轉子的角度。主要包括電機電樞電流采樣電路、直流母線電壓采樣電路、模擬信號輸人及數字I/0信號接口電路。調理電路對各種數字模擬輸人輸出信號進行歸一化、數字化處理后送人DSP。.

2.2.1電機相電流檢測電路
電機電樞電流檢測電路通過低阻值采樣電阻5mQ/2w進行相電流的分壓采集,然后經過運放轉換后輸入DSP進行電流反饋閉環運算。該電流檢測電路(4]的實現方案如下:
系統設計額定采樣電流20 A,經電阻分壓為0.1 v,過載采樣電流28.2A,經電阻分壓為0.141V,經電流采樣芯片IR2175S輸出頻率為130 kHz、占空比不同的PWM波送人DSP相應的CAP口以采樣PWM波的占空比來反應當前相電流大小。其中IR2175S額定輸人為-260mV~ +260mV,輸出PWM占空比約為9%-91%,并有過電流信號/0C。供電電源均由MOSFET驅動芯片自舉電容供給。

2.2.2直流母線電壓電流采樣電路

驅動器可通過大電阻分壓的方法把直流母線端直流電壓轉換成0~3 V電壓,并通過一-階有源濾波電路輸人至DSP的AD口進行采樣。

2.2.3電機速度及角度測量電路

電機速度及角度測量電路最大輸出5 V/200 mA功率供給,速度反饋傳感器為標準5 V差分增量信號接口,信號標號為CHA+、CHA-、CHB+、CHB一、INDEX+、INDEX-,其中INDEX信號用于電機零點判定,增量信號通過電平轉換電路輸人至DSP芯片,并用于電機角度的精確測定及校正。本文運用T法對電機角度做差值以實現對電機速度的測定。

2.3功率驅動單元

功率驅動單元采用目前主流的線性PWM驅動方法,此方法可實現電機的四象限運轉,適用于電機位置控制、速度控制及轉矩控制,并且可應用于交流電機和直流無刷電機。

驅動器輸入電壓為DC7.5-59 V。MOSFET 的額定電壓=輸人DC電壓+再生制動電壓增加量+浪涌電壓+設計裕量,一般考慮MOSFET額定電壓控制在母線電壓的1.5~2倍左右。系統的母線電壓最大為60 V,因此MOSFET額定電壓至少為90 V。驅動器的額定電流為20 A,過載電流為28.2 A,因此在保證足夠散熱能力的前提下可選用60A以上漏極電流的MOSFET,因此選型為英飛凌的型號為BSCO60N10NS3的MOSFET,其源漏耐壓為100V,漏極電流為90A。

MOSFET驅動芯片選用TI的LM5101驅動芯片。LM5101柵極驅動電壓輸出范圍9~14 V,具備欠壓硬件保護,無保護輸出口,其驅動上下邊沿及延遲總時間小于66ns。逆變電路原理圖如圖2所示。


控制MOSFET用的PWM控制信號由DSP產生,其頻率為10 kHz,并進行邏輯保護處理,而后直接輸人至LM5101并輸出12V電平的PWM波控制
MOSFET以驅動電機。

2.4   故障保護單元

故障保護單元主要包括PWM邏輯保護電路、制動保護輸出、過溫保護電路等。

2.4.1PWM邏輯保護電路

作為功率器件MOSFET的核心輸入信號,PWM.波的輸出必須保證不存在使MOSFET上下橋路直通的信號,因此我們在驅動芯片輸人前端設計邏輯保護電路,其電路輸出信號一路送給三態門芯片用于保護PWM信號,另一路送人DSP的GPIO口用于檢測報錯信號。若出現邏輯錯誤則直接置低PWM輸出信號,并輸出報警信號,其原理圖如圖3所示。


2.4.2制動保護輸出電路

電機制動時,由于電機饋能作用很容易導致直流母線端電壓的升高,若沖擊電壓過高容易導致系統保護或損壞其他器件,因此在驅動器設計時預留的接人饋能電阻輸出觸點信號,同時在硬件上設計相應的電壓比較器,從硬件上快速地對電機制動饋能進行釋放,防止母線電壓快速升高。2.4.3過溫及 其他保護
采用LM26溫控芯片作為溫度傳感器,輸出溫度信號及過溫電平信號。
運算報錯、過速、母線過壓欠壓、速度反饋故障、通訊故障均通過軟件檢測實現。其中運算報錯為程序中對關鍵數據變量進行檢測,當出現溢出亂碼值時進行報錯處理;過速、母線過壓欠壓為程序中對電機速度及直流母線的電壓進行檢測并做處理;速度反饋故障為程序中對出現的速度檢測非正常值進行處理報錯;通訊故障通過定時檢測的方法進行連接正常與否的處理。

3系統軟件設計

3.1系統主程序

設計系統軟件開發環境采用n專用的DSP開發軟件CCS5.4.0。

主程序在完成系統初始化后,循環執行系統使能自檢、故障指示,在中斷主程產中循環執行系統控制閉環算法、系統輸人輸出、速度監測、電流電壓醫障保護等功能。中斷主程序流程圖如圖4所示


3.2   速度嵌套分段控制

系統在速度環的參數調節上根據專家經驗值采用了嵌套式分段查表的技術,即先按照給定轉速與反饋轉速進行第一次分段, 然后在每一個分段內按照給定轉速與反饋轉速的差值再進行一次分段,這樣不僅保證了高速與低速的平穩運行,還能及時快速地響應負載擾動。

所有的分段調節中在分段界限點采用速度轉換緩沖區技術[51,即在兩段速度調節區間之間設置緩中區間,進入緩沖區范圍內的速度調節參數延續進入緩沖區之前的調節參數,以此使速度切換點變為速度切換區間,避免了系統在兩段速度區間調節參數的頻繁切換導致的調節不穩定,本文選用的測試電機額定轉速3000 r/min,具體分段調節參數如表1所示。

3.3系統參數檢測程序設計

3.3.1相電流檢測

通過EVA中的CAP單元捕捉上升沿和下降沿,產生CAPINT1和CAPINT2外部捕捉中斷。通過CAP中斷程序計算兩次中斷之間的時間差值,該差值大小IR2175S(將U、V相電流轉換成PWM波)輸出的PWM波的占空比變化成線性關系,由此確定相電流的大小。中斷處理流程如圖5所示。

3.3.2其他參數檢測

通過EVB中的QEP模塊獲取電機轉速及角度信息。通過AD模塊獲取外部母線電壓、電流模擬量對應的數字量。

3.4故障保護

針對系統運行中常見的故障,我們在軟件保護中設計了過流、過載、過溫、過壓、欠壓、超速及可能的軟件運算錯誤等,當相應的軟件故障發生時或有硬件故障信號輸人時,在DSP的軟件中通過置低所有PWM輸出引腳,以使輸人到MOSFET的電平全部置低以屏蔽PWM信號,并通過CAN或RS232接口將相關的故障信息反饋到上位機。

4. 工藝設計

驅動器功率密度較高,體積較小,因此印制板需進行高密度布線,根據實際工程經驗我們采取了如下EMC設計:

(1) 在布線時需注意避免高頻信號線、通訊線的信號之間干擾,并保證模擬地與數字地、驅動地與控制地應單點磁珠連接以減弱各電信號之間的干擾。

(2)MOSFET驅動芯片、自舉電容、電流采樣芯片應依次靠近排列,保證浮動電源的穩定。條件允許的情況下增加了10 μF及0.1 μF的母線濾波電容,提高輸人電源及輸出功率的穩定。

在充分考慮產品體積與散熱的要求,我們進行如圖6所示的結構設計,產品整體結構設計為兩層,上層控制板與下層功率板之間通過插針連接并固定。功率板上面如圖所示兩條平行線上裝有6個MOS-FET,與之對應底面設計有左右兩條7 mm寬散熱焊條,它們之間通過印制板內部多層覆銅導熱,同時散熱焊條通過回流焊的方式與底部散熱板的凸臺相焊接。


驅動器外殼通過注塑成型的方式做成盒狀卡于散熱板上。外殼、控制板及功率板上各預留2個2mm的灌封口,裝配時先進行上下兩板通過插針的焊接連接,再與底部散熱板焊接連接,最后再卡上塑料外殼,裝配完畢后,進行灌膠處理,增強元器件的抗沖擊振動特性和散熱效果。

5性能及功能測試分析

測試采用的直流伺服電機參數:額定功率1.1kW,額定轉速3000r/min,最大電流28.6A,最大扭矩3.5N.m,工作電壓48V。系統運行時電源輸人為48V直流電壓,取PWM開關頻率10kHz,死區時間2μs,給定轉速3000 r/min,速度環PI調節周期1ms,電流環PI調節周期100μs,測試數據通過串口采集,串口波特率設為115.2kbps。

電機帶輕載條件下,給定速度2100 r/min然后再給定-3000xr/min,給定及響應曲線如圖7所示,從圖中可看出驅動器響應速度命令平穩,穩態誤差<1.5%。


電機在額定電壓額定轉速下,逐步增加電機負載,直至驅動器設計最大容20A,其實驗特性曲線如圖8所示,表明該驅動器硬件符合設計指標,即最大功率960W,體積長寬高尺寸僅為55x42x12mm。


上述測試數據表明系統具有良好的動靜態控制性創及可靠的帶載能力。

系統具有一定的故障報錯處理功能,經測試事對過載、過速、PWM信號直通、直流母線過壓欠及軟件運算等故障能夠正確響應處理。

6.結語
實際實驗和運行結果表明驅動器穩定可靠,率密度高,帶載能力強,并具有定的故障報錯理功能,控制板和功率板獨立設計,以更好地增大系統的集成度,系統動靜態性能良好。該系統被計應用于某小型車載雷達轉臺伺服系統,現場電測試結果表明系統運行平穩可靠,精度較高,各保護功能合理有效,滿足此轉臺系統對電機調速伺服控制的性能要求。




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