基于IPM的三相无刷直流电机控制系统的设计

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  • O 引言
        无刷直流电机因其体积小,重量轻,维护方便,高效节能等一系列优点,被广泛用于各个领域。尤其随着高性能的单片机和专门用途的DSP(Digital Signal Processor)微处理器和集IGBT模块及其驱动和保护于一身的智能功率模块(Intelligent Power Module,IPM)的发展,使无刷直流电机的位置检测和换相更加准确稳定。本文以DSP(TMS320LF2407A)作为核心的三相无刷直流电机控制系统为研究对象,采用双极性PWM(PulseWidth Modulation)控制技术,利用智能功率模块IPM(PM50RSAl20),设计一种电机控制系统,实验结果表明,系统调速范围宽,控制性能良好。


    1 三相无刷直流电机控制系统
        三相无刷直流电机控制系统框图如图1所示,系统主要由DSP控制模块、智能功率模块和转子位置检测模块三大部分构成。系统根据转子位置检测模块检测到的电机位置信号,控制DSP输出正确的6路PWM脉冲信号,经过驱动电路以控制智能功率模块中相应功率管的通断,从而实现对电机的正确供电,控制电机正常运行。

    2 TMS320LF2407A模块的介绍
        TMS320LF2407A模块主要由DSP芯片、电源、晶振、外扩RAM和输出引脚组成。TMS320LF2407A有两个事件管理器EVA和EVB,每个模块包括:两个16位的通用定时器;8个16位的脉宽调制通道(PWM),他们能够实现三相反相器控制,能捕获位置信号,可产生可调死区的各种PWM波。该模块在本控制系统中担当着重要的控制角色。
        DSP硬件的调试不但需要示波器等传统的仪器,还需要专门的仿真套件,本文使用的是XDS510仿真器,该仿真器包括一个PC插卡和一个JTAG接口,通过该接口可以访问DSP芯片的所有资源,而且同时可以设置断点、单步执行等,以检验和调试所设计的目标电路是否正确。


    3 基于IPM控制电路的设计
        智能功率模块IPM由高速、低功率的IGBT和优选的门级驱动及保护电路构成。虽然IPM虽有诸多优点,但其内部电路不含有防止干扰的信号隔离电路、自保护功能和浪涌吸收电路,为保证IPM安全可靠,需要设计这部分电路。
    3.1 IPM外部驱动电路的设计
        IPM功率驱动电路如图2所示。为了保证强电部分和弱电部分电路的电气隔离,需将控制部分和驱动部分相互隔离。来自DSP的6路PWM信号经电阻限流后经高速光耦隔离并放大后接IPM内部驱动电路以控制相应开关管工作。IPM的故障信号也需隔离之后送到DSP。UFO、VFO、WFO、FO分别为IPM内部的上桥臂三路故障输出信号和下桥臂一路故障输出信号。这些内部故障信号经光耦PC817转换为相应的故障输出信号F01、F02、F03和F04。

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