采用DSP、双极性PWM技术和智能功率模块IPM实现电机控制系统的设计
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。
ipm用的隔离光耦要求上升沿延时tplh《0．8μs，下降沿延时tplh tphl《0．8 μ s，共模抑制比cmr》10kv／μs，因此选用hcpl4504型高速光耦，且为了提高光耦的转换速度，在光耦输入端接1只0．1 μ f的退耦电容。
3．1．1 一路上桥臂驱动电路
以图2中其中一路上桥臂为例来说明驱动电路工作原理，其中vupi为电源+15v， vupc为电源地，up为驱动控制信号的输入端。由dsp输出的一路上桥臂pwm信号和vcc分别接高速光藕hcpl4504的3、2管脚，当pwm信号为低电平时，hcpl4504的5、6将会导通，从而使控制信号输入ipm模块up端，控制相应桥臂的igbt导通。其中每个开关管的控制电源端采用独立隔离的稳压15v电源，且接1只10 μ f的退耦电容器以滤去共模噪声。r15根据hcpl4504光耦输入电流要求（25ma）选取为200 ω。r16根据ipm驱动电流选取，且尽可能小以避免高阻抗ipm拾取噪声，另一方面又要足够可靠地控制ipm，本系统选为4．7k ω。c9为2号端与地间的0．1 μf滤波电容（上桥臂其它两路连接电路与其类似）。
一般ipm需用四路独立电源来防止内部上下桥路发生直通短路，其中上桥臂每个igbt需要一个单独的隔离电源供电，共需3组；而下桥臂3个igbt共用l组隔离电源供电。
3．1．2 三路下桥臂驱动电路
图2中ipm模块的三路下桥臂可由一路公共电源统一供电，vni与vnc分别接电源的+15v与地。由dsp产生的三路pwm2、pwm4、pwm6信号输入ipm的un，vn，wn端，分别控制其下桥臂对应的igbt开关管的通断。
3．2 ipm缓冲电路设计
由于ipm在高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的di／dt，dv／dt和瞬时功耗，给器件以较大的冲击，易损坏器件。设置缓冲电路（即吸收电路）就是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过电压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。
图3为常用的大功率ipm缓冲电路。r，c，vd值的选取原则为：一般电阻电容值按经验数据选取，如pm200dsa060电容值为0．47～2 μ f，耐压值是igbt的1．1～1．5倍，电阻值10～20ω，电阻功率为
式中：f为igbt工作频率；u为igbt工作峰值电压；c为缓冲电路与电阻串联的电容。但rc时间常数应设计为开关周期的1／3，即τ=t/3＝1／（3f）。二极管选用快恢复二极管。为保证缓冲电路的可靠性，可以根据功率大小选择已封装好的如图3所示的专用缓冲电路。
3．3 ipm的保护电路
在以dsp芯片为核心的控制系统中，利用dsp事件管理器中功率驱动保护引脚（pdpint）中断实现对ipm的保护。通常1个事件管理器产生的多路pwm可控制多个ipm工作，其中每个开关管均可输出fo信号。图4为ipm模块故障信号输出原理图。三路上桥臂的故障信号和一路下桥臂的故障信号经过一个7407的oc门之后再经过一个上拉电阻就可直接输入dsp的pdpint引脚。正常工作时，所有的fo信号均为高电平，从而pddpint也为高电平，一旦任何一路桥臂有故障发生，则pdpint变为低电平，从而触发dsp的电源保护中断，使其所有的pwm输出引脚均呈高阻状态，起到对ipm模块的保护作用。
4 、检测模块的设计
4．1 位置检测和速度计算
位置检测不但用于换相，而且还用于产生速度控制量。本系统的位置信号是通过3个霍尔传感器得到，每个霍尔传感器都会产生180°脉宽的输出信号。3个霍尔传感器的输出信号互差120°相位差。这样在每个机械转中共有6个上升或下降沿，正好对应着6个换相时刻。将dsp设置为双沿触发捕捉中断功能，就能获得这6个时刻，再通过dsp的捕捉口检测电平状态，就可以判断是哪个霍尔传感器的什么沿触发的捕捉中断，确定了换相信息，就可以实现正确换相。位置信号还可以用于产生速度控制量，每个机械转有6次换相，测得两次换相的时间间隔，就可以计算出两次换相间隔间的平均角速度。
4．2 电流检测
电流检测电路由霍尔元件、运算放大器和dsp内部a／d转换器组成。由于输出电流信号较弱，需用同相放大器放大。对于三相电机，电流采样只需在电机三相绕组的任意两相上安装两个霍尔元件，来检测电流信号。由于存在下列关系式：ia+ib+ic=0，因此只需检测任意两相的电流值，就可得到另外一相的电流值。在每个pwm周期对电流采样一次，采样时刻应在pwm周期的“开”期间中部，通过dsp定时器启动adc转换来实现。
5 、软件设计
系统软件采用dsp的汇编语言编程，并进行了模块化设计。软件主要包括：主程序，初始化子程序、捕捉中断子程序，a／d转换子程序，显示子程序等。其中主程序如图5所示，主要实现以下功能。
1）系统初始化程序：主要是对dsp，芯片tms320lf2407a的某些系统控制寄存器和io功能进行设置：如时钟倍频，一些管脚定义为输入io还是基本功能管脚。
2）变量初始化：该部分对使用到的常量赋值，并对一些需要初始值的变量赋初值。
3）液晶显示初始化：该部分主要完成对显示器件jm1602c的初始化设置，如清显示、输入模式、光标位置等。
4）设置参考转速子程序：该部分调用键盘程序设定参考转速，调用显示程序显示设置的参考转速。
5）读取位置信号：为了获得位置信号，只要调用一次捕捉中断服务程序，并可对电机进行启动。
6）调速并实时显示转速：程序将在这里等待中断，当有中断产生时，系统响应中断程序，当在等待中断时，根据定时器t1控制是否刷新显示。
6 、实验及结论
应用以上硬件电路，笔者完成了电机参数为额定功率loow，额定电压220v，额定电流0．5a，额定转速1500 r／mi n，用示波器测量其中一相波形实验，波形如图6所示。图6b是转速在100r／min的u相电压，图6a是1000r／min时的u相电压，探头均衰减1 0倍。实验结果表明：用dsp（tms320lf2407a）为主控芯片，以ipm（pm50rsal20）为功率驱动电路，设计的三相无刷直流电机的启动和稳速控制系统方案可行，系统安全可靠、简单实用。
区块链游戏，机会是还是泡沫
led白光
三星推出全新ZFlip3 Bespoke版本，拒绝千篇一律
15分钟自制手机电池？
原子力显微镜超低频隔振台/减震台/防震台
采用DSP、双极性PWM技术和智能功率模块IPM实现电机控制系统的设计
供应刺晶显微镜/LED闪灯IC邦定机 手邦机 补线机 铝丝焊
OceanBase以7.07亿tpmC的成绩打破去年TPC-C基准测试纪录？
搭载 OLED大屏 iPhone X Plus面板首次曝光
安森美半导体24亿美元成功收购飞兆半导体
Nexperia | 推出用于自动安全气囊的专用MOSFET (ASFET)新产品组合
浅谈模拟信号的优点及缺点
利尔达物联网全连接云平台入选《2022年浙江省首版次软件产品应用推广指导目录》
装备激光雷达“智慧眼”，无人机实现多环境精准定高
性价比高的真无线蓝牙耳机推荐，值得你入手的耳机
香港科技大学利用自适应光学技术，实现高分辨率神经突触成像
奥林巴斯推出平台级工业显微镜软件PRECiV
华为推出人工智能工程师认证（HCNA-AI）
原材料价格持续上涨,家电行业迎来涨价潮
英特尔10代桌面级处理器最大睿频突破5GHz，发布时间是否有所暗示
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。
ipm用的隔离光耦要求上升沿延时tplh《0．8μs，下降沿延时tplh tphl《0．8 μ s，共模抑制比cmr》10kv／μs，因此选用hcpl4504型高速光耦，且为了提高光耦的转换速度，在光耦输入端接1只0．1 μ f的退耦电容。
3．1．1 一路上桥臂驱动电路
以图2中其中一路上桥臂为例来说明驱动电路工作原理，其中vupi为电源+15v， vupc为电源地，up为驱动控制信号的输入端。由dsp输出的一路上桥臂pwm信号和vcc分别接高速光藕hcpl4504的3、2管脚，当pwm信号为低电平时，hcpl4504的5、6将会导通，从而使控制信号输入ipm模块up端，控制相应桥臂的igbt导通。其中每个开关管的控制电源端采用独立隔离的稳压15v电源，且接1只10 μ f的退耦电容器以滤去共模噪声。r15根据hcpl4504光耦输入电流要求（25ma）选取为200 ω。r16根据ipm驱动电流选取，且尽可能小以避免高阻抗ipm拾取噪声，另一方面又要足够可靠地控制ipm，本系统选为4．7k ω。c9为2号端与地间的0．1 μf滤波电容（上桥臂其它两路连接电路与其类似）。
一般ipm需用四路独立电源来防止内部上下桥路发生直通短路，其中上桥臂每个igbt需要一个单独的隔离电源供电，共需3组；而下桥臂3个igbt共用l组隔离电源供电。
3．1．2 三路下桥臂驱动电路
图2中ipm模块的三路下桥臂可由一路公共电源统一供电，vni与vnc分别接电源的+15v与地。由dsp产生的三路pwm2、pwm4、pwm6信号输入ipm的un，vn，wn端，分别控制其下桥臂对应的igbt开关管的通断。
3．2 ipm缓冲电路设计
由于ipm在高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的di／dt，dv／dt和瞬时功耗，给器件以较大的冲击，易损坏器件。设置缓冲电路（即吸收电路）就是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过电压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。
图3为常用的大功率ipm缓冲电路。r，c，vd值的选取原则为：一般电阻电容值按经验数据选取，如pm200dsa060电容值为0．47～2 μ f，耐压值是igbt的1．1～1．5倍，电阻值10～20ω，电阻功率为
式中：f为igbt工作频率；u为igbt工作峰值电压；c为缓冲电路与电阻串联的电容。但rc时间常数应设计为开关周期的1／3，即τ=t/3＝1／（3f）。二极管选用快恢复二极管。为保证缓冲电路的可靠性，可以根据功率大小选择已封装好的如图3所示的专用缓冲电路。
3．3 ipm的保护电路
在以dsp芯片为核心的控制系统中，利用dsp事件管理器中功率驱动保护引脚（pdpint）中断实现对ipm的保护。通常1个事件管理器产生的多路pwm可控制多个ipm工作，其中每个开关管均可输出fo信号。图4为ipm模块故障信号输出原理图。三路上桥臂的故障信号和一路下桥臂的故障信号经过一个7407的oc门之后再经过一个上拉电阻就可直接输入dsp的pdpint引脚。正常工作时，所有的fo信号均为高电平，从而pddpint也为高电平，一旦任何一路桥臂有故障发生，则pdpint变为低电平，从而触发dsp的电源保护中断，使其所有的pwm输出引脚均呈高阻状态，起到对ipm模块的保护作用。
4 、检测模块的设计
4．1 位置检测和速度计算
位置检测不但用于换相，而且还用于产生速度控制量。本系统的位置信号是通过3个霍尔传感器得到，每个霍尔传感器都会产生180°脉宽的输出信号。3个霍尔传感器的输出信号互差120°相位差。这样在每个机械转中共有6个上升或下降沿，正好对应着6个换相时刻。将dsp设置为双沿触发捕捉中断功能，就能获得这6个时刻，再通过dsp的捕捉口检测电平状态，就可以判断是哪个霍尔传感器的什么沿触发的捕捉中断，确定了换相信息，就可以实现正确换相。位置信号还可以用于产生速度控制量，每个机械转有6次换相，测得两次换相的时间间隔，就可以计算出两次换相间隔间的平均角速度。
4．2 电流检测
电流检测电路由霍尔元件、运算放大器和dsp内部a／d转换器组成。由于输出电流信号较弱，需用同相放大器放大。对于三相电机，电流采样只需在电机三相绕组的任意两相上安装两个霍尔元件，来检测电流信号。由于存在下列关系式：ia+ib+ic=0，因此只需检测任意两相的电流值，就可得到另外一相的电流值。在每个pwm周期对电流采样一次，采样时刻应在pwm周期的“开”期间中部，通过dsp定时器启动adc转换来实现。
5 、软件设计
系统软件采用dsp的汇编语言编程，并进行了模块化设计。软件主要包括：主程序，初始化子程序、捕捉中断子程序，a／d转换子程序，显示子程序等。其中主程序如图5所示，主要实现以下功能。
1）系统初始化程序：主要是对dsp，芯片tms320lf2407a的某些系统控制寄存器和io功能进行设置：如时钟倍频，一些管脚定义为输入io还是基本功能管脚。
2）变量初始化：该部分对使用到的常量赋值，并对一些需要初始值的变量赋初值。
3）液晶显示初始化：该部分主要完成对显示器件jm1602c的初始化设置，如清显示、输入模式、光标位置等。
4）设置参考转速子程序：该部分调用键盘程序设定参考转速，调用显示程序显示设置的参考转速。
5）读取位置信号：为了获得位置信号，只要调用一次捕捉中断服务程序，并可对电机进行启动。
6）调速并实时显示转速：程序将在这里等待中断，当有中断产生时，系统响应中断程序，当在等待中断时，根据定时器t1控制是否刷新显示。
6 、实验及结论
应用以上硬件电路，笔者完成了电机参数为额定功率loow，额定电压220v，额定电流0．5a，额定转速1500 r／mi n，用示波器测量其中一相波形实验，波形如图6所示。图6b是转速在100r／min的u相电压，图6a是1000r／min时的u相电压，探头均衰减1 0倍。实验结果表明：用dsp（tms320lf2407a）为主控芯片，以ipm（pm50rsal20）为功率驱动电路，设计的三相无刷直流电机的启动和稳速控制系统方案可行，系统安全可靠、简单实用。
区块链游戏，机会是还是泡沫
led白光
三星推出全新ZFlip3 Bespoke版本，拒绝千篇一律
15分钟自制手机电池？
原子力显微镜超低频隔振台/减震台/防震台
采用DSP、双极性PWM技术和智能功率模块IPM实现电机控制系统的设计
供应刺晶显微镜/LED闪灯IC邦定机 手邦机 补线机 铝丝焊
OceanBase以7.07亿tpmC的成绩打破去年TPC-C基准测试纪录？
搭载 OLED大屏 iPhone X Plus面板首次曝光
安森美半导体24亿美元成功收购飞兆半导体
Nexperia | 推出用于自动安全气囊的专用MOSFET (ASFET)新产品组合
浅谈模拟信号的优点及缺点
利尔达物联网全连接云平台入选《2022年浙江省首版次软件产品应用推广指导目录》
装备激光雷达“智慧眼”，无人机实现多环境精准定高
性价比高的真无线蓝牙耳机推荐，值得你入手的耳机
香港科技大学利用自适应光学技术，实现高分辨率神经突触成像
奥林巴斯推出平台级工业显微镜软件PRECiV
华为推出人工智能工程师认证（HCNA-AI）
原材料价格持续上涨,家电行业迎来涨价潮
英特尔10代桌面级处理器最大睿频突破5GHz，发布时间是否有所暗示