高压直流无刷电机驱动设计.pdf

西安电子科技大学 学位论文创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：日期:西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。本人签名：日期:导师签名：日期：坪BS摘要近年来，高压直流无刷电机因其结构简单、低噪声、免维护、无换相火花以及 可由市电直接整流驱动等优点在工业设备及民用电器中得到了广泛的应用。但是,高压直流无刷电机类型繁杂，电机参数、性能各异，需要根据应用定制驱动器。为此，论文以DSC控制器和IPM模块为核心，设计了一款针对中小功率应用的通 用型高压直流无刷电机驱动器。论文简要介绍了高压直流无刷电机的工作原理、力矩特性和数学模型，给出了 其驱动器的组成框图，详细设计了数字信号控制器DSC、电源模块、IPM逆变模 块、位置信号检测模块、制动模块、电机参数采集模块、保护模块、通信模块及 用户接口等电路，编写了霍尔信号检测、电机PWM的控制、A/D采集、串口通信 和电机调试等控制器程序，实现了高压直流无刷电机的各种控制功能。关键词：高压直流无刷电机I片通用型驱动器中小功率ABSTRACTIn recen t years,high voltage BLDC motor is widely u sed in in du strial equ ipmen t,con su mer electron ics an d so on for its advan tages of simple stru ctu re,low n oise,main ten an ce-free,n o commu tation spark an d can be driven by rectified main s su pply.However,becau se the parameters an d performan ce of the high voltage BLDC motor are differen t from each other,u sers have to cu stomize the driver accordin g to the actu al application.A gen eral pu rpose high voltage BLDC motor driver for small an d mediu m power application s is design ed cen terin g on DSC con troller an d IPM modu le in this paper.The operation al prin ciple,torqu e characteristics an d mathematical model of high voltage BLDC motor are described in the paper.The circu its of DSC,IPM,power modu le,position detection,brake modu le,parameter measu remen t,protection modu le,commu n ication in terface an d u ser in terface are design ed based on the given stru ctu re of the driver.Position detection,PWM con trol,AD samplin g su brou tin e,commu n ication su brou tin e an d motor debu gger program is edited an d tested to realize the con trol fu n ction s of the high voltage BLDC motor.Keywo rds:High Vo ltage BLDC IPM General Purpo se DriverSmall and Medium Po wer目录第一章概述.11.1 高压直流无刷电机发展及应用.11.2 高压直流无刷电机驱动器性能要求和技术指标.:21.3 论文主要内容.第二章高压直流无刷电机.32.1 高压直流无刷电机的基本结构.32.1.1 转子.42.2.2 定子.42.2.3 霍尔板.52.2 高压直流无刷电机的工作原理.:.72.2.1 两两导通方式.:.72.2.2 三三导通方式.82.2.3 转子位置的检测.92.3 高压直流无刷电机的数学模型.11第三章高压直流无刷电机驱动器硬件设计.133.1 高压直流无刷电机驱动器的组成.133.2 数字信号控制器DSC.133.2.1 DSPIC30F 系列 DSC.143.2.2 DSPIC30F4011 最小系统.153.3 电源模块.173.3.1 高压电源电路设计.173.3.2 辅助电源电路设计.253.3.3 电源模块实际波形.373.4 IPM逆变模块.383.4.1 IGBT的驱动电路.383.4.2 自举电路原理及分析.413.4.3 全桥逆变电路.423.4.4 智能功率模块IPM.433.4.5 逆变模块实际波形.443.5 位置信号检测模块.453.5.1 霍尔位置检测原理.453.5.2 反电势法位置检测原理.463.5.3 反电势法无霍尔检测电路.473.6 制动模块.503.6.1 电机制动原理.503.6.2 泵生电压抑制电路.503.7 电机参数采集模块.513.8 保护模块.二.533.9 用户接口.:.543.9.1 接口电源.543.9.2 数字输入接口.543.9.3 数字输出接口.：.553.9.4 调速接口.553.10 通信模块.563.11 本章小结.57第四章高压直流无刷电机驱动器软件设计.594.1 DSC控制器软件设计.594.1.1 DSC控制器主程序.604.1.2 霍尔信号检测.624.1.3 电机PWM的控制.634.1.4 AD 采样.654.1.5 串口通信.674.2 电机调试程序.694.3 本章小结.70第五章结束语.71附录.73致谢.77参考文献.79第一章概述第一章概述1.1 高压直流无刷电机发展及应用直流电机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但由于需 要机械换相和电刷，在换相时容易产生火花、机械噪声和电磁干扰，使得电机的 可靠性降低,并且需要经常维护，影响了直流电机在控制系统中的进一步应用山。1917年，Bolgior提出了用整流管替代直流有刷电机的机械电刷，无刷直流电 机的基本思想由此诞生了。1955年，美国的DHarrison等人首次申请了用晶体管 换相线路代替直流有刷电机的机械电刷的专利，标志着现代直流无刷电机的诞生。1962年，借助于霍尔元件实现换相的直流电机问世，开创了无刷直流电机的新纪 元。1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国MANNESMMANN公司正式推出了 MAC无刷直流电机及驱动器，标志着直流无刷电机走向了实用阶段。1986年，H.R.Bolton对直流无刷电机做了全面系统的总结,标志着直流无刷电机在理论上走 向成熟（巴随着研究的日益深入，直流无刷电机的开发和应用进入了新的时期。以MCU 和DSP为核心的数字控制技术、以现代控制理论为代表的控制策略、全数字化、智能化成为未来直流无刷电机控制的发展方向。我国近年来在直流无刷电机的设 计及控制方面也做了大量的研究，并取得了长足的进步，但与国际水平相比，还 存在着很大的差距叫直流无刷电机的定子绕组采用三相交流电机的绕线方式，通过逆变器控制换 相产生定子磁场，与安装在转子上的永久磁钢产生的转子磁场相互作用产生转矩。直流无刷电机是直流有刷电机和交流电机思想结合的产物，是典型的机电一体化 产品，它既具有直流有刷电机运行效率高、励磁损耗小、调速性能好等优点，又 具有交流电机结构简单、维护方便、运行可靠等优点。直流无刷电机采用电子换 相代替了直流有刷电机的电刷和换向器，简化了电机结构，消除了机械换相产生 的火花和EMI,并降低了机械噪声，增加了电机运行的可靠性口叫由于直流无刷电机的种种优点，无刷直流电机被广泛应用于各种场合。在大 多数家用、民用甚至工用场合，直接采用市电和工业用电直接整流驱动电机显然 更加方便实用。目前，高压直流无刷电机广泛地应用于定速驱动设备（如自动门、电梯、水泵、风机等）、调速驱动设备（如包装设备、食品设备、印刷、物料输送等）、精密控制（如医疗设备、数控车床、切割机等）和家用设备（如洗衣机、电冰箱、空 调等）等领域。2 高压直流无刷电机驱动器设计1.2 高压直流无刷电机驱动器性能要求和技术指标目前，中小功率的高压直流无刷电机的应用越来越广泛，专用型驱动器带给 用户的重复开发调试延长了产品上市时间，增加了研发复杂度，降低了研发效率 和系统的稳定性，因此大多数产品开发商将目光投向了通用型高压直流无刷电机 驱动器。*高压直流无刷电机驱动器是针对1KW以下的中小功率电机开发的通用型驱动 器，包含多种控制方式、控制接口和通信接口，可以满足大多数模拟调速及数字 调速应用，还可以直接与嵌入式单片机控制系统、计算机控制系统、PLC控制系 统互连，实现对电机的控制、状态监测和系统保护等功能。高压直流无刷电机驱动器的功能及指标说明如下：输入电压:220V50/60HZ 功率范围：120W1000W 控制功能：启停、刹车、正反转 速度给定方式：外部g5V/(M0V模拟电压给定、外部可调电阻给定、内部 可调电阻给定、PWM占空比给定/频率给定 保护功能:过压保护、欠压保护、过载保护、过流保护、短路保护、过热 保护 输出信号：速度信号、故障信号 接口形式：光耦隔离/非隔离；采用RS232协议与微控制系统、PLC控制系 统、计算机控制系统互连；通过上位机可调整PID参数和观察电机状态13论文主要内容本文主要介绍中小功率通用型高压直流无刷电机驱动器的基本组成及其软硬 件设计，介绍了各部分的工作原理、硬件电路分析和设计、软件设计，并对试制 样机进行了测试和分析。第二章主要介绍了直流无刷电机的基本结构、工作原理和数学模型。第三章 介绍了高压直流无刷电机驱动器的硬件组成，详细描述了各组成部分相关模块及 其电路工作原理和硬件设计，并对样机测试波形进行了分析。第四章讲解了高压 直流无刷电机驱动器的软件层次、主要程序流程及设计，介绍了电机调试软件的 功能和设计。第五章对高压直流无刷电机驱动器的软硬件设计进行了总结，对现 有的不足和尚未解决的问题提出了修改建议。第二章高压直流无刷电机第二章高压直流无刷电机众所周知，只要给直流有刷电机绕组施加足够大小的直流电源，便可使其正 常运转，并且可以通过调整端电压的方向和大小来控制旋转方向和旋转速度。而 直流无刷电机用电子换相代替了机械换相，因此其驱动器也比较复杂。为了像直 流有刷电机那样实现换相，必须检测电机转子的当前位置，经过一系列的逻辑变 换后驱动三相定子绕组，才能使电机正常运转。本章主要介绍高压直流无刷电机 的基本结构、工作原理及其数学模型，为后续章节奠定理论基础。2.1 高压直流无刷电机的基本结构高压直流无刷电机是直流有刷电机和交流电机的结合体，它用安装了永久磁 钢的转子代替直流有刷电机的定子磁极，采用多相绕组的定子取代电枢，并用由 固态逆变器和位置检测器组成的电子换相器代替直流有刷电机的电刷和机械换相 器，简化了电机的结构，降低了机械噪声和EML提高了可靠性。高压直流无刷电机分为内转子和外转子两种形式，均由定子、转子、霍尔板、端盖等构成，如图2.1所示。霍尔引出线图2.1高压直流无刷电机基本结构组成高压直流无刷电机的三相绕组安装在定子的凹槽中，当绕组中存在电流时，在其周围将产生定子磁场。定子磁场通过极靴、磁匏、气隙、转子磁钢构成闭合 磁场回路。端盖及外壳用于安装定子并固定转子轴位置，使转子与定子磁匏始终4高压更流无刷电机驱动器设计保持着一定的距离，防止转子被吸附在定子上。2.1.1转子转子由转子本体、转子轴和永久磁钢构成，如图2.2所示。转子本体具有磁通 回路、增加转子转动惯量、增强转子机械特性等作用；转子轴用于引导转子的安 装，保证转子与定子间的空气隙永久磁钢用于产生转子磁场，一般由磁瓦组成,其充磁磁场具有矩形和正弦形两种，采用矩形充磁的电机被称为直流无刷电机，采用正弦充磁的电机被称为永磁同步电机。图2.2转子实物图无刷直流电机的磁钢均按照N-S-N-S的顺序安装。如果电机有一组磁钢，则 称其为一对极电机；如果电机有两组磁钢，则称其为两对极电机。实际的直流无 刷电机的转子磁场是按照梯形分布的，如图2.3所示。为了获得稳定的最大转矩，定子磁场需要与转子磁场最大的区域相互作用。因此，换相过程一般从转子磁场 分界线后30电角度开始，持续1200电角度。图2.3转子磁钢梯形磁场分布图2.2.2定子定子一般由T字形的极靴、磁匏、绕线槽、绕组构成，如图2.4所示，其主要 作用是建立定子磁场，并提供磁场回路。绕组产生的定子磁场经过极靴一磁匏一 极靴一气隙一转子磁钢一气隙构成闭合回路。第二章高压直流无刷电机5图2.4定子结构图高压直流无刷电机的绕组一般为三相星形或型结构，定子槽数一般为3的 倍数。定子槽数越多，电机转矩脉动越小，运行越平稳，然而定子的机械结构也 越复杂，机械设计和工艺制作越困难。高压直流无刷电机的定子绕组以星形接法 最为典型，外转子直流无刷电机的绕线示意图如图2.5所示。转子机械角相差180 的位置的磁场是同极性的，因此定子磁场也需要是同极性的。图2.5定子绕线图当给不同的绕组通电时，定子磁场磁力线方向不同；当给同一绕组通过不同 方向的电流时，定子磁场磁力线方向也不同。绕组电流的大小决定了定子磁场的 强弱，决定了转子与定子相互作用力的大小，从而决定了电机的转速和转矩的大 小。2.23霍尔板为了使高压直流无刷电机正常平稳的运行，定子绕组必须根据转子的位置及 时强换相，因此必须对转子的位置进行检测。在有位置传感器的高压直流无刷电 机中，一般采用编码器或霍尔元件对转子位置进行检测.由于霍尔元件的接口简 单、成本较低，因此应用更为普遍。电子沿着磁力线垂直的方向运动时，会受到磁场的力的作用，即洛伦兹力。由于洛伦兹力垂直于电子运动方向，因此它只改变电子运行的方向。如图2.6所示,如果在一个长方体金属薄板的左右两侧施加电流i,然后将其置于强度为H的磁场 6高压直流无刷电机驱动器设计中，则电子将会受到洛伦兹力向下偏转，在上下两侧产生霍尔电压Vh。Vb在薄板 上下两侧建立霍尔电场，当电子所受的洛伦兹力与霍尔电场力大小相等时，电子 不再发生偏转，霍尔电压也保持不变，此时霍尔电压Vh的大小便反映了磁场的强 度网。这种长方体金属薄板就是霍尔组件，如果对霍尔电压进行滤波放大，便构成 了霍尔元件。霍尔元件根据其输出形式分为线性霍尔元件和开关型霍尔元件。在 高压直流无刷电机应用中，只需要检测换相点，无需检测磁场的大小，因此一般 选用开关型霍尔元件即可。图2.6霍尔组件 图2.7霍尔元件.高压直流无刷电机的内部一般会安装一块霍尔板，其上按60或120电角 度分布着三个霍尔元件。当转子旋转时，霍尔元件的输出构成位置编码，指示了 转子当前的位置信息。在一个电角度周期内，转子具有6个位置状态，而3个霍 尔最多可以输出8个状态，因此3个霍尔元件就可以满足高压直流无刷电机换相 的精度要求。采用霍尔元件进行转子位置检测的原理如图2.8所示口可：H1图2.8霍尔工作状态图（120安装）附录A中给出了详细的120安装和60安装的霍尔工作状态图。120安装 的霍尔出现的六种状态依次是3-1-5-4-6f 2,不存在状态0和状态7。60 安装的霍尔板与1200安装的霍尔板在检测原理上是一样的，只是霍尔输出的六种 状态依次是3-1-0-4-6-7,不存在状态2和状态5o驱动器应该在检测到状 态发生变化时立即对电机进行换相，使电机输出最大转矩，防止出现较大的转矩 脉动，保证电机不出现抖动现象。如果驱动器检测到不存在的霍尔状态，则说明 出现了霍尔故障，应该予以保护；如果驱动器检测到的霍尔状态不是按照预计的 顺序或者反序出现，则表示霍尔板与驱动器之间的接线出现了故障，也应该予以 保护。由于120安装的霍尔板允许更大的安装误差，特别是当转子是多对极时，PCB和安装工艺更加简单。因此大多数高压直流无刷电机的霍尔板都采用120安 装。第二章高压直流无刷电机72.2 高压直流无刷电机的工作原理高压直流无刷电机主要是依靠转子磁场和定子磁场相互作用来产生转矩的.当转子磁场和定子磁场方向不一致时，便会产生切向力矩，使转子发生偏转。如 果换相器能够根据转子的当前位置不停地改变定子磁场的方向，则可以使转子转 动起来。为了使电机能够正粗:作，切向力矩的方向需要保持不变；为了使电机 平稳的运行，切向力矩的大小需要保持基本不变；为了使电机输出最大的转矩，定子磁场与转子磁场需要保持相互垂直，如图2.9所示。图2.9定子磁场与转子磁场作用图电子换相器通过检测转子位置，并根据定子和转子的磁场分布实时改变三相 绕组的电流，保证电机正常平稳地运行.三相星形接法的高压直流无刷电机的控 制方式有两两导通和三三导通两种，均采用全桥逆变电路实现。顾名思义，两两 导通方式表示电机在每个霍尔状态下有两相绕组同时导通；三三导通方式表示电 机在每个霍尔状态下有三相绕组同时导通。2.2,1两两导通方式假设绕组的匝数为Z,长度为L,气隙半径为r,转子最大磁感应强度为Bm，当电流I流过绕组时产生的力矩为：T.=ZLBnrI(2-1)在两两导通方式中，当电流从A相绕组流入从B相绕组流出时的合力矩为：T=2TBcos30/3T1B(2-2)图2.10两两导通力矩示意图 图2.11两两导通力矩状态图8高压直流无刷电机驱动器设计假设定子磁场和转子磁场之间的夹角为。，则此时产生的合力矩为：4=810(2-3)两两导通的六个状态下的合力矩波形如图2.12所示，可以看出，如果电机工作在 峰值转矩出现前后30电角度范围内，其平均转矩T,最大支。=九414同,=、(2-4)脉动转矩为：AT=Ta-T111bx 0.134TmM(2-5)因此只要在峰值转矩出现前30。电角度处换相，便可使电机输出最大转矩。对于 两两导通方式，换相顺序应该为：BeBaCa-*Cbf AbAc其中，大写字母表示电流流入该相绕组，小写字母表示电流流出该相绕组。2.2.2三三导通方式在三三导通方式中，假设电流I流入绕组产生的力矩为T,电流I流出绕组产 生的力矩为-T,假设各相绕组相互对称，则当A相绕组流入电流I时，由B、C相绕组流出的电流分别为”2,此时产生的合力矩为:图2.13三三导通力矩示意图图2.14三三导通力矩状态图(2-6)假设定子磁场和转子磁场之间的夹角为8,则此时产生的合力矩为:第二章高压直流无刷电机 9TTsin G(2-7)三三导通方式的六个状态下的合力矩与两两导通时情况一样，如果电机工作在峰 值转矩前后30电角度范围内，其平均转矩I；最大网。=八54/=二(2-8)脉动转矩为：ATHg-TmjO.l34TB(2-9)因此只要在峰值转矩出现前30电角度处及时换相，便可使电机输出最大转矩，对于三三导通方式，换相顺序应该为：Abe-ABc-aBcaBC-*abC*AbC其中，大写字母表示电流流入该相绕组，小写字母表示电流流出该相绕组。T TmC Tuc TBc Bc bc T*cop(ff 120P 18(r W 300P 360P图2.15三三导通时力矩波形图由于两两导通方式可以获得更大的输出转矩，且每个状态只有两相绕组工作,具有控制简单、功耗低等优点，因此在实际工程实践中得到了广泛的应用。2.23转子位置的检测假设高压直流无刷电机的霍尔板按120安装，并采用两两导通方式进行控制。如图2.11所示为两两导通的合力矩状态图，它表示了两两导通方式下一个电周期 内的合力矩分布。假设定子力矩所在位置为。皿，高压直流无刷电机输出最大转矩时的转子位置 为：皿 90(2.10)因此换相的起始点为：8 四二8j9(r3(r(2.11)换相的结束点为：8旧=8*缈干30(2.12)磁场边缘所在位置为：=3绅(2-13)在式(2-10卜式(243)中，土号的选择与电机旋转方向有关。表2.1显示了高压直流 10高压直流无刷电机驱动器设计无刷电机顺时针旋转时最大合力矩与换相位置的关系。表2.1换相位置及霍尔安装位置的关系最大合力矩电角度3090150210270330转子最大转矩点300060120180240换相点2703303090。150210换相时磁场边缘060120B180240300所在位置180240300-060120所属霍尔HbHaHeHbHaHe如图2.16所示，假设电机沿着顺时针方向旋转，合力矩BC指向90方向，因此当转子磁场处于0时（如图2.17b所示），电机输出最大转矩，霍尔板编码为001；换相起点应为330（如图2.17a所示）,此时霍尔Ha出现下降沿;换相结束点为30（如 图27c所示），此时霍尔Hb出现上升沿。表2.2列出了一个电周期内的霍尔编码 及其换相信息。（a）换相起始点（b）最大力矩点 换相结束点图2.17 BC相换相示意图表2.2各状态的霍尔编码及换相信息3303030,9090 150150,210210,270*270,330定子力矩BCACABCBCABA霍尔编码001Oil010110100101换相标志HalHbfHeiHatHblHet第二章高压直流无刷电机112.3高压直流无刷电机的数学模型与直流有刷电机相比，高压直流无刷电机的转矩波动较大，因此在讨论其机械 特性和数学模型时需要引入平均转矩和平均反电动势的概念网。如图2.12所示，高压直流无刷直流电机的平均转矩为：工=O Fsin 0de=J*(2-14)其中，J n KT对于两两导通方式，K=6,对于三三导通方式，K=1o将式(21)重写如下：L=ZIBrl(2-15)故：3(2-16)it其中，KT=-KZLBBr,称为转矩系数。根据电磁感应定律，有：EB=ZLBmm=Ken(2-17)其中，称为电磁系数；n表示电机当前转速。高压直流无刷直流电机的平均反电动势可以表示为：3E 三 3E.=y psin 0d9=-En(2-18)兀有 兀假设高压直流无刷电机的各相绕组相互对称，输入电压为U,等效内阻为R,等效电感量为L,等效MOSFET压降为AU,则高压直流无刷电机的电压平衡方程为：U-AU=Ea+IR(2-19)将式(2/6)和式(2-17)代入式(2-19)可得高压直流无刷电机的机械特性方程:U-AU R.n=k kJ.(2-20)4 人T同样，高压直流无刷电机的动态方程可以表示为:U-AU=E.+IRT.=KtI T GD2dn(2-21)l 375 dtE.=Ken其中，冗为电机负载转矩；GD?表示电机转子的飞轮转矩(Nm2),GD2=4gJ,g 为重力加速度，J为转动惯量。12高压直流无刷电机驱动器设计对式(221)做拉普拉斯变换：U(s)-AU(s)=E.(s)+I(s)RT.(s)=KtI(s)T.(s)-TL(s)=1-sn(s)E.(s)=Ken s)于是，高压直流无刷电机的动态结构图可以表示为：图2.18直流无刷电机动态结构图高压直流无刷电机的传递函数为：K Kn(s)=-(U(s)-AU(s)-Tl(s)(2-23)1+1cs 1+Ics式中：Ku=E，表示电动势传递系数；DKL=,表示转矩传递函数；RGD2工=奇，表示电磁时间常数。第三章高压直流无刷电机驱动器硬件设计第三章高压直流无刷电机驱动器硬件设计3.1 高压直流无刷电机驱动器的组成高压直流无刷电机驱动器由电源模块、数字信号控制器DSC、智能功率模块 IPM、高压直流无刷电机、位置信号采集模块、电机参数采集模块、保护模块、制 动模块、用户接口及通信模块等构成，如图3.1所示。它根据用户设置的参数、其 它控制系统设置的参数或由RS232接口设置的参数，结合转子位置信号和电机当通信模块图3.1高压直流无刷电机结构框图用户接口压流刷机 高直无电3.2 数字信号控制器DSC单片机将CPU、RAM、ROM时钟/定时器以及各种外设集成在一个芯片上,不仅具有强大的控制能力，还缩小了系统的整体体积，增强了系统的稳定性。而 DSP（Digital Sign al Processor数字信号处理器）一般采用哈佛结构、流水线操作、内 置单周期乘法器以及适合数字信号处理的指令集等增加对数据处理的速度，具有 强大的数字处理能力。DSC（Digital Sign al Con troller数字信号控制器）综合了单片机 和DSP的优点，不但具有强大的控制能力，还具有强大的数字运算处理能力力）。DSC集成了丰富的控制接口、齐全的通信接口、灵活的中断源和强大的驱动能力,使其具有强大的控制能力。另外，DSC采用改进的哈佛结构和多级流水线方式进 行取指、译码和执行；采用多组总线技术实现并行运行机制；采用内置的高速硬 件乘法器实现单周期乘法运算等，使其具有高速的数据处理能力。14高压宜流无刷电机驱动器设计3.2.1 DSPIC30F 系歹!J DSC微芯科技公司推出的DSPIC系列DSC是以16位单片机为核心，融合了管理 高速计算的数字信号处理器功能，不仅具有功能强大的外围设备和快速的中断处 理能力，还具有极其强大的计算能力和数据吞吐能力闾。DSPIC30F系列DSC的 运算速度最高可达30MlpS,具有电机控制专用模块、多种通信接口、多路AD转 换器和电平变化中断接口，而且其端口驱动能力强并配备了自编程闪存，特别适 合高性能嵌入式电机控制应用。1、高性能CPU内核DSPIC30F系列DSC采用改进的哈佛结构，并带有增强型指令集,包含对DSP 的有力支持，CPU拥有24位指令字，其操作码字段的长度可变，可以寻址高达 4MX24位的用户程序存储器空间。DSPIC30F指令集分为MCU类指令和DSP类 指令，这两类指令集成到同一架构中并在同一个执行单元执行。大多数指令均可 在一个周期内执行。数据空间可以作为32K字或者64K字节寻址，并被分成两块,每个存储器块有各自独立的地址发生单元AGU.DSPIC30F系列支持DCYOMHz 外部时钟输入或4MHz70MHz振荡器输入，并可以采用内部PLL进行4/8/16倍 频，使其最高工作速度可以达到30MlpS。DSPIC30F包含3个外部中断源、4个 处理器陷阱源及其它外设中断，最多可达30个中断源。2、DSP引擎DSP引擎具备一个高速17位X17位乘法器、一个40位ALU、两个40位饱 和累加器和一个40位双向桶形移位寄存器。MAC（乘累加）指令和其它相关指令可 以同时从存储器中取出两个数据操作数并将两个W寄存器相乘。桶形移位寄存器 在单个周期内至多可将一个40位的值右移15位或左移16位。X和Y寻址空间都 支持无开销循环缓冲器（模寻址），它省去了 DSP算法的软件边界检查开销。此外,X AGU的循环寻址可以与任何MCU类指令一起使用，并支持位反转寻址，大幅 简化了基2 FFT算法对输入或输出数据的重新排序。3、电机控制特性电机控制PWM模块能轻松地产生多种同步脉宽调制输出，特别适合三相交流 感应电机、开关磁阻电机、直流无刷电机、不间断电源等应用。电机控制PWM的 专用时基支持Tcy/2的PWM边沿精度，每个PWM发生器都有两个输出引脚，他 们可以互补或者独立工作，并可手动改写PWM输出引脚的状态。PWM的产生具 有边沿对齐、中心对齐、带双更新的中心对齐三种模式，各模式下特殊事件触发 器可以产生用于触发AD转换的信号。电机控制模块还具有互补模式下防止第三章高压直流无刷电机驱动器硬件设计15MOSFET直通的死区发生器，并具有可编程的故障输入引脚，用于快速系统保护。4、外设特性DSPIC30F系列DSC的所有I/O引脚都具有很强的驱动能力，输入输出电流最 大可达25mA,部分端口还具有电平变化中断功能。该系列DSC内部包含了 5个 16位定时器/计数器，它们可以配对组成32位定时器模块，具有16位输入捕捉，16位比较/PWM输出功能。该系列.DSC还拥有多种通信接口，如3线SPI模块（支 持4种帧模式）、I2C模块支持多主器件/从模式，支持7位/10位寻址、2个带FIFO 缓冲区的UART模块、1个与CAN2.0B标准兼容CAN模块等。5、模拟特性DSPIC30F系列DSC拥有一个带4个采样/保持输入的10位AD转换器，其转 换速率可达IMspSo该转换器最多可设置9路输入通道，支持休眠和空闲期间下进 行转换。另外，该系列DSC还具有可编程的欠压复位功能。3.2.2 DSPIC30F4011 最小系统在高压直流无刷电机驱动器中，DSC是整个系统的核心器件，它接收控制指 令、采集系统信息、控制相应外设并提供系统状态指示。根据设计要求（见表3.1）和微芯公司提供的选型指南等，高压直流无刷电机驱动器选用了 DSPIC30F4011 作为其控制芯片.表3.1高压直流无刷电机DSC资源需求及分配表名称作用类型资源名称作用类型资源HallA霍尔信号输入电平变化中断FETAIPM故障输入故障中断HallBUART串口通信双向专用HallCPGD/C调试接口STO启停通用10Fau lt Out故障指示输出比较输出FR正反转Speed Out电机速度Break刹车信号Brake Control制动控制比较输出Mode模式选择PWM InPWM调速输入捕捉speedAD模拟调速模拟输入AD转换器UL电机PWM输出电机互补 PWMV_Sen se电机电压UHISen se电机电流VLT_Sen seIPM温度VHSS上升时间WLSD下降时间WHOSC1/2外部晶振双向专用MCLR外部复位输入专用DSPIC30F4011最小系统包含DSC芯片及其外围电源、时钟、复位、调试接 口等。它是DSC芯片的基本配置，如图3.2所示。电源保证DSC芯片工作所需的 稳定的供电，减小电源纹波和干扰；时钟为系统提供时间基准；复位电路保证芯 片初始上电时能够完全复位和初始化；而调试接口用于程序下载、调试等。16高压直流无刷电机驱动器设计图3.2 DSC最小系统框图DSPIC3OF4011的供电电源电路如图3.3所示。C1C4为瓷片电容，它用于 消除电源高频干扰，防止电源出现较大纹波导致DSC出现误动作。D1为5.1V稳 压二极管，防止电源电压过高损坏DSC芯片。当供电正常时，与R1串联的LED1 将会导通发光.DSPIC30F4011的时钟电路如图3.4所示。DSC内置地锁相环最多可以将外部 时钟倍频16倍为DSC内核及其外设提供时钟，因此可以选择的较低频率的外部 振荡源，以提高时钟的抗干扰能力和时钟的稳定度。C5和C6为负载电容，它们 使晶振Y1两端等效电容近似等于负载电容，保证振荡电路的正常工作。图3.3 DSC电源电路 图3.4时钟电路复位及调试接口电路如图3.5所示，R2和C7构成了简单的RC复位电路，由 微芯科技公司提供的DSPIC30F4011数据手册可以获得MCLR低电平时间最小值 和标称上电复位电压门限，因此根据：UeVCCQ-e)3D可以确定R2和C7的值。为了实现手动复位，C7两端并联了一个按键，当按键按 下时，复位引脚将被拉低。静电放电ESD或者电过载EOS可能对MCLR引脚造 成损坏，R3限制C7流入引脚的电流。当外接调试器时，系统电源的纹波可能会 影响复位信号，为了使系统与调试器通信过程中不受干扰，在复位电路中串联二 极管D2限制反向电流，保证在通信过程中不出现意外的复位。图3.5复位及调试接口第三章高压直流无刷电机驱动器硬件设计1733电源模块3.3.1高压电源电路设计高压直流无刷电机的额定电压为310V,可以通过220V市电全桥整流获取，此外，还需要考虑过流保护、防雷设计、EMC、浪涌电流抑制等要求，论文设计 的高压电源结构框图如图3.6所示。图3.6高压电源结构框图1、系统保护市电接口的保护电路是为了防止整个系统可能出现灾难性错误，如短路、过 载、失效、失控等引起的过流或由输电线引入的雷击等，防止驱动器发生不可恢 复的破坏，保护驱动器在雷雨天气的条件下不被损坏。过流保护一般采用PTC电阻、熔丝、空气开关等实现，其中熔丝分为普通熔 丝和自恢复熔丝两种。前者成本较低，但一旦熔断必须更换新的熔丝；后者在故 障排除后可以自动恢复，但是成本较高。根据功能、安全和成本的要求，高压无 刷直流电机驱动器选用了普通熔丝对系统进行过流保护。图3.7中F1即为保险丝,高压无刷直流电机额定功率为1KW,因此额定电流约为3.3A,因此，选用雷击分为直击雷、感应雷、线路来波、地电位反击等，造成设备线路上出现 过电压,这会导致设备无法正常工作,甚至造成灾难性破坏，因此必须加以保护【冽。气体放电管、压敏电阻、TVS管都可以用来作为防雷保护器件，其中对于响应速 度气体放电管压敏电阻TVS管，对于通流量气体放电管压敏电阻TVS管。工 业上通常选用压敏电阻作为防雷元件，当雷击或者其它故障引起线路电压超过压 敏电阻额定电压时，其阻值明显降低，通过分流来防止后级线路电压过高，保护 后级设备不被破坏，故障消失后，压敏电阻的阻值恢复至初始值。图3.7中的压敏 电阻为VAL输入电压为220V,因此UlmA=2.2UAC=484V,因此其击穿电压可 18高压直流无刷电机驱动器设计以选取为470V,通流量无法精确计算，根据使用场合进行选择，该设计中选择的 压敏电阻为MYG14K471。2、EMI滤波器电磁兼容是现代工业电路面对的一个主要问题，它包含了两层含义：设备向 环蝴射的电磁干扰和设备对环境中的电磁干扰的抵抗能力。在高压直流无刷电 机驱动器的开关电源工作和PWM控制过程中，高频干扰的产生是不可避免的。为 了使其不对电网中其它设备产生干扰，需要安装EMI滤波器。为了防止电网中的 高频干扰信号对高压直流无刷电机驱动器产生影响，需要安装EMI滤波器。为了 满足各地区关于电磁兼容的标准，也必须安装EMI滤波器以3EMI滤波器工作等效原理图如图3.8所示，图3.8(a)表示无EMI滤波器的系统等效电路图，它是一个简单的单回路电路。为了和图3.8(b)进行比较，将负载Rl两 端的电压标记为V/图3.8(b)是添加了 EMI滤波器后的系统等效电路图，电路中 EMI漉波器是一个典型的二端口网络，假设输入端电压电流分别表示为,输出端电压电流分别表示为Q,I由。(a)无EMI滤波器的系统等效电路(b)添加EMI滤波器的系统等效电路图3.8 EMI滤波器工作等效电路由图3.8(a)得:由图3.8(b)得:v黑4=-1出又因为图3.8(b)是一个二端口网络，假设其网络方程为:VAQ_bl L=c vd故:V 一 V,A+1 微(3-2)(3-3)(3-4)(3-5)EMI滤波器最重要的技术指标是对干扰的抑制能力，用插入损耗II(In sertionLoss)来表示，它的定义是：没有接入滤波器时从干扰源传输到负载的功率、和接第三章高压直流无刷电机驱动器硬件设计入滤波器后从干扰源传输到负载的功率L之比，