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杨苹，胡郴龙，姜华
(华南理工大学电力学院广东省绿色能源技术重点实验室，广东广州510640)
摘要：探讨了无位置传感器无刷直流电动机(BLDCM)变频调速系统的硬件设计过程，给出了基于智能功率模块(IPM)PS21865的主电路实现方案，完成了以数宁信号处理器TMS320I,F2407A为核心的控制电路和辅助电路的硬件设计，整个系统集成度高、控制灵活、功能完善。试验结果表明，无位置传感器BLDCM变频调速系统具有良好的调速性能，系统控制精度高、运行稳定可靠，具有实际应用价值。
中图分类号：TM 92I 51：TM 33文献标志码：A文章编号：1673-5540(2010)05-0324-5
0 引 言
由于无位置传感器 无刷直流电机(Brash—less DC Motor，BLDCM)变频调速系统具有体积小、效率高、调速精度高和转矩大等特点，并具有良好的节能效果，现已广泛应用在各类驱动装置和伺服系统中 [1-2]。 本文针对目前国内、外对无位置传感器BLD—CM变频调速系统需求越来越大、要求越来越高的现状，在理论分析和仿真试验的基础上，完成了无位置传感器BLDCM的变频调速系统的硬件设计。使用高性能数字信号处理器(DSP)满足了电机控制系统不断增加计算速度的要求，同时引入集成度较高的智能功率模块(Inte]]igent PowerModule，IPM)，提高了产品的模块化水平。整个系统结构紧凑、控制灵活、实用性强。
1 BLDCM系统工作原理
BLDCM系统巾电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成[3]。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器实时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和关断，从而自动控制绕组的通断电，实现电子换向。与BLDCM系统相比，无位置传感器BLDCM系统中转子位置信息是通过处理器进行计算获得的，其原理图如图1所示。
目前，BLDcM无传感器控制[4-5]较为典型的控制方法有反电势法、定子三次谐波法、涡流效应法、磁通估计法等[6]，其中反电势法是一种******实用的转位置检测方法。由丁BLDcM的绕组反电势波形直接反映转子的位置，因此可以利用绕组反电势米获取转子的位置信息。对于采用两相导通三相六拍运行方式的BLDcM而言，二相绕组中在任意时刻总有一相处于断开状态，检测断开相的反电势信号，当其过零点时，转子直轴与该相绕组轴线重合，再经过30。电角度按照开通顺序进行换相。故只要检测到各相反电势的过零点，即可获知转予的若干个关键位置，这就是反电势法的基本原理[7]。反电势转子位置检测法在电动机起动前，必须对转子进行定位后才能进行正常的位置计算。
2系统硬件设计
本文设计的无位置传感器Blll)cM变频调速系统主要由主电路、控制电路和辅助电路二三部分组成，其结构如图2所示。主电路包括整流和斩波电路及IPM功率和检测电路；控制电路即DsP调速控制器模块；辅助电路主要由系统和驱动电源模块及人机接口电路构成。
2．1主电路设计
本文介绍的无位置传感器BLDcM变频调速系统是基于交一直一交变频调速系统拓扑进行的硬件设计，交直交变频的基本组成电路有整流和逆变两部分，整流电路将工频交流整流成直流电，逆变电路再将直流电逆变成为频率可调的****输出电流限额为20 A。 (2)IPM功率电路。
IPM功率和检测模块实现了本系统中无位置传感器BI。DcM的__作电源逆变和运行状态检测的任务，直接影响电动机的工F常运行和控制器的控制精度。
IPM包含了IGBT芯片及外围的驱动和保护电路，是一种集成型功率器件。由于其简单易用、性能稳定及日趋走低的价格而获得了广泛应用。该系统所用的IPM选用三菱电机株式会社的第三代DIP—IPM Ps21865。该芯片具有如下典型特点：低损耗；采用自举电路结构，可实现单电源驱动；内置有IGBT驱动电路，过载保护，控制电源欠压保护；内置专用HVIc(}tigh V0ltage Ic：600V)，无需绝缘电路(如光耦)等。虽然IPMPS21865已经提供了方便的控制接口，但为了系统安全，还是建议使用4组隔离电源供给IPM使用(即上三桥各一组，下三桥共一组)，u、V、w控制信号输入端子使用光耦隔离方式。
基于IPM Ps21865的逆变器外围电路设计如图4所示，上三桥各自用独立的驱动电源，下三桥共用一路驱动电源。在IPM驱动电源的输入端，建议设计滤波电路，以防止上、下桥驱动电
源短路，造成变频器损坏。
(3)电压和电流检测电路。
欲实现DsP的无位置传感器BLDcM的变频调速控制，酋先必须解决电动机转子位置的检测问题。本系统在电动机各相采用分压电阻采集相电压，再经由高精度运放OPl77组成的电平抬高电路后传送至TMs320LF2407A的A／D转换口，进而对电动机星型中性点电压进行计算，以获得转子位置信息。以BLDcM u相为例，图5所示为系统采用的相电压检测电路。为防止定子换相时刻的高次偕波干扰，应在Ru2两端黍加滤波电容，并且Ru2宜采用无感功率电阻。
系统欲实现电流闭环调节，也必然要引入直流母线电流检测。本系统中为了提高电流检测精度，方便硬件设计，采用了Max472专用电流检测芯片。Max472是美国美信公司生产的精密高端电流检测放大器，它有一个电流输出端，可以用一个电阻来实现以地为参考点的电流／电压转换，元需另加放大电路，并可工作在较宽的电压和较大的电流范围内。图6为电流检测电路的原理图。
2．2控制电路设计
DsP调速控制器模块是无位置传感器BLD—cM变频调速系统的控制核心，通过串行接口接收人机接口模块的控制命令、发送电动机的运行信息，利用PwM输出进行调速控制。 TMS320LF2407A[10]最小系统的搭建，是整个控制模块实现的基础。与单片机最小系统类似，DsP的最小系统一般包含如图7所示的几部分，其中外扩SRAM和JTAG不是DsP最小系统必须的部分，只是为了调试方便，通常在设计时把它们纳入最小系统的范畴。
在设计完DsP的最小系统后，根据实际需要选择所需的外设接口。对于闲置的I／O口，除了DsP技术手册明确指出该如何处理外，为了提高系统的稳定性和降低功耗，对这些闲置的I／O口通常做如下处理：对于一般的I／O口，简单的可以卒置，然后程序里面初始化为输出引脚；对于巾断引脚，内部一般都有弱上拉，为了提高可靠性，可以再外接一个上拉电阻。
TMS320LF2407A的事件管理器是电动机变频控制的核心部分，它与IPM接口部分的优劣直接影响整个变频调速系统的稳定性。虽然该系统所选用的IPM Ps21865可以直接由单片机或者DsP驱动，但是为了系统的稳定和可靠，还是建议采用光耦隔离驱动的方式。
本文选用了IPM专用的美国安捷伦高速光耦HcPL4504，该光耦瞬时隔离达15 kV／μs。图8为DsP事件管理器PwM输出与IPM的隔离驱动电路。为防止电磁干扰，选用了单独一路的集成逻辑器件，以保证信号走线足够短(小于2 cm)。
2．3辅助电路设计
(1)系统和驱动电源模块。
信息，利用PwM输出进行调速控制。
TMS320LF2407A[10]最小系统的搭建，是整个控制模块实现的基础。与单片机最小系统类似，DsP的最小系统一般包含如图7所示的几部分，其中外扩SRAM和JTAG不是DsP最小系统必须的部分，只是为了调试方便，通常在设计时把它们纳入最小系统的范畴。
在设计完DsP的最小系统后，根据实际需要选择所需的外设接口。对于闲置的I／O口，除了DsP技术手册明确指出该如何处理外，为了提高系统的稳定性和降低功耗，对这些闲置的I／O口通常做如下处理：对于一般的I／O口，简单的可以卒置，然后程序里面初始化为输出引脚；对于巾断引脚，内部一般都有弱上拉，为了提高可靠性，可以再外接一个上拉电阻。
TMS320LF2407A的事件管理器是电动机变频控制的核心部分，它与IPM接口部分的优劣直接影响整个变频调速系统的稳定性。虽然该系统所选用的IPM Ps21865可以直接由单片机或者DsP驱动，但是为了系统的稳定和可靠，还是建议采用光耦隔离驱动的方式。
本文选用了IPM专用的美国安捷伦高速光耦HcPL4504，该光耦瞬时隔离达15 kV／μs。图8为DsP事件管理器PwM输出与IPM的隔离驱动电路。为防止电磁干扰，选用了单独一路的集成逻辑器件，以保证信号走线足够短(小于2 cm)。
2．3辅助电路设计
(1)系统和驱动电源模块。
为0．438Ω，电枢绕组电感(每相)为O．632 mH，定子相数为3，转动惯量为0.000005 66kg．m2。
对所设计的尤位置传感器BLDcM变频速系统进行了一系列试验。通过键盘输入不同的给定转速，系统均能在短时问内实现有效跟随，可以看出系统具有良好的调速性能；当转速恒定而负载变化时，系统保持了良好的转矩H向应特性；对系统进行了过载和超速等试验，系统反应灵敏，控制过程安全呵靠。
4 结 语
本文介绍，一种无位置传感器BLDcM变频调速系统硬件设计方案，详细论述了系统的硬件没计过程，包括整流斩波电路设计、IPM逆变电路设计和控制电路设汁等。该系统使用高性能DSF满足了电机控制系统不断增加计算速度的要求，同时引入集成度较高的IPM Ps21865，提高了产品的模块化水平。试验结果表明，无位置传感器BLDcM变频调速系统具有良好的调速性能，控制精度高、运行稳定可靠；同时电证明了该系统硬件符合没讣思路要求。
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