[摘要] 电动机的数字化控制已经成为近年来研究的热点。文章以基于DSP的电机数字化控制系统为应用平台，阐述了电源部分硬件电路设计。文中详细给出了整流逆变，功率驱动，过压欠压保护，光耦隔离等电路设计，并针对数字化控制给出了特定DSP芯片所需的内部电源转换电路。实验及仿真结果表明该电源模块具有性能稳定、开关电源纹波小、负载调整率高等优点，作为电机控制的电源模块，具有很高的应用价值。
[关键词] 整流滤波 IPM智能模块 光耦隔离
0 引言
随着电力电子技术、交流变频技术、微机控制技术以及各种电力电子器件、数字处理器、智能模块的快速发展和应用，电动机的数字化控制已经成为目前工控领域应用发展的趋势。在提高工作效率，减少资源污染与浪费，提高电机各种运行性能的要求下，电机的数字化控制系统已经是本领域研究的热点。
其中的电源部分则起着举足轻重的作用。功率开关电路、整流逆变单元、驱动保护等电路及产品型号的选择、电子元器件参数的选择合理与否，都将会直接影响电路中谐波干扰、电压值的大小、能否在安全余量内正常驱动等问题。因此，电源部分的设计在整个控制系统中有着重大而现实的意义。
本文以基于TI公司TMS32OF2000系列DSP的三相电机数字化控制系统研究这一实验项目为应用平台，重点研究了系统电源部分电路设计，主要包括整流、DIP-IPM逆变、过压欠压保护电路、光耦隔离、辅助电源转换电路等，其优越性体现在实现电压值多路输出的同时，又可以使元件稳定可靠地工作，实现系统的抗干扰稳定运行。实验及应用结果表明该电路具有良好的性能和很高的应用价值。
该控制系统选用功率为0.75kW，额定转速为1500r/min的Y型交流电机。文中所用元器件参数及各种模块的选取均是根据电机运行参数而定。
1 系统硬件驱动框图
电机数字化控制系统的控制部分以DSP为核心，另外还要电源处理模块、IPM驱动隔离控制模块、脉冲形成、转速位置检测模块、电流检测模块、、显示模块、键盘接口模块等电路。电源部分的主电路采用交－直－交电压型变频电路，其中包括桥式整流、滤波电容和智能功率模块IPM。本文重点讨论控制系统中所涉及到的电源部分电路设计及部分元器件参数选择。总体结构原理图如图1所示，其工作原理是：DSP接受采样电流和电压信号、电机转速和转子位置信号，运用控制算法，得到PWM控制信号，经光耦隔离电路后，驱动IPM开关器件。当系统出现短路、过流、过压、欠压、过热等故障时，DSP将封锁PWM输出信号，关断IPM的输出，并通过指示灯显示。
2 电源部分主电路
2.1 整流电路
本系统为强、弱电结合的系统，驱动部分电路的电压有200V以上，如果强弱电之间互相耦合，很难保证系统的可靠运行。系统电源分为控制部分和驱动部分，控制部分需要＋5V、±15V三路电源，其中＋5V给芯片及霍尔电流传感器供电，±15V给运放及外部保护电路供电；驱动部分需要＋5V、＋15V、＋200V三路电源，其中＋SV给光耦供电，＋15V给IPM供电，逆变出的＋200V为母线电压。
如图2所示，为了获得一个直流电压，单输入电源从压电变压器出来，经过一个单相二极管桥式稳压整流器，输出的电流通过负温度系数热敏电阻NTC和大功率感应继电器。整流电压波形的滤波采用电解电容滤波器滤波，其电容量大小决定了整流电压的平均值和输出纹波电压的大小，同时还影响逆变电路返回续流时电压升高的大小。因为直流电源要保持一个相对稳定的状态，那么电容器C要选择至少十倍于压电驱动器的电容值。C7主要起高频旁路作用，减小电解电容高频损耗和整流电路承受的尖峰电压。压电变压器的作用是提供一个稳定的电压输出。
当热敏电阻的端电压小于击穿电压时，其电阻值特别大，接近断路；其端电压超过一定值后阻值将迅速下降，电阻接近短路，从而允许高达上千安培的电流流过，起到对后级电路的保护作用。在本模块中由于采用三相220V供电，考虑到市电电压较高(250V)时，最大输入电压的峰值约为350V，所以设计时选用390V的热敏电阻，瞬时可流过电流3000A。感应继电器选择JQX-15F型号，其切换功率可达7500VA。热敏电阻和感应继电器可以有效的起到隔热、安全保护、抑制浪涌电压的作用。
整流电路功能是把AC220V/50Hz的市电进行整流滤波后，转换成的稳定直流电源VDC经过变压器、三端可调稳压管、低压输出电压调节器即可实现＋5V、±15V等多路输出，供给功率变换电路。该整流还具有EMI滤波、功率因数校正功能，对电网污染进行双向隔离，以提高整机的电磁兼容性能。
2.2 逆变及功率驱动
(1)智能功率模块IPM简介
智能功率模块IPM是Intelligent Power Module的缩写，兼有GTR(大功率晶体管)高电流、低饱和电压和高耐压的优点，以及MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点，而且内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来更为方便。
本文选用的三菱公司IPM智能模块PS21265，采用第五代IGBT工艺，内置优化后的栅极驱动和保护电路，内部过电压、过电流和过热等故障检测电路可将检测信号送到CPU，确保系统安全。智能模块的作用是对输入的电压直流量、PWM驱动信号进行逆变驱动和保护，完成功率驱动。选用该模块的优越性主要体现在控制芯片计算出三相PWM结果直接输送给IPM智能模块，不需再考虑驱动问题，可以减小开发周期，还可以大大减小系统的体积。功率器件的配置、散热乃至驱动问题在模块中即可得到解决，因而易于使用，可靠性高，用户只需要了解接口电路和定义，很快可以组成运行系统。
(2)功率驱动模块硬件电路
逆变电路是该电源部分的关键电路，其功能是实现DC/AC的功率变换；基本工作原理是：DSP产生的三相PWM控制脉冲，经光耦隔离电路后输出UH、VII、WH、UL、VL、WL六路脉冲信号，经过内部脉冲放大驱动电路后，分别控制IPM中的IGBT管T1～T6的开通与关断，将单相直流电压逆变为三相交流电压，改变调制信号的周期与幅值，也就改变了主开关的输出脉冲周期与占空比，从而得到所要求的交流电。输出信号Uol、Vol、Wol经斩波稳压处理后可直接通三相交流电机负载。
因为此系统是速度位置闭环控制系统，电机转子上的霍尔传感器检测到的位置速度信号经过A/D转换输入给DSP，DSP根据电压波动自动调节PWM脉冲，进而调节电压输出。此过程动态响应迅速，能够实现自动调节，与传统电机运行相比则具有很好的节能效果。
此逆变过程，由上文介绍的智能型IPM功率模块PS21265完成。IPM出现过流、过温、短路故障时将输出报警信号，将此信号输入到DSP的PDPINT引脚，当有任何故障状态出现时，PDPINT引脚被拉为低电平，此时DSP内定时器立即停止计数，所有PWM输出引脚全部呈高阻状态，及时产生中断信号，通知DSP有异常情况发生。整个过程不需要程序干预，全部自动完成，实现各种故障状态的快速处理非常有用。该电路把前级逆变器正弦电压滤波输出供给负载使用，并实现功率级与负载的隔离，包括输出LC滤波电路和三相隔离变压器。模块电路简单，可靠性高，整机工作效率高。电路图如图3所示。
3 过压欠压保护
驱动电路部分的电压达到200V以上，若出现故障不做保护，将会导致逆变电路损坏，甚至使前级电路击穿，而且IPM正常工作对电源的要求也相当高，而IPM自身的保护电路不具有保持性，因此还需要辅助的外围保护电路实现完善的系统保护。所以，对电路保护设计了双重监测和保护，既监测整流后的直流电流，同时分别监测相电流。电压保护设有输入及输出过压保护和欠压保护，使安全保护性能更加完善。
如图4，电网电压整流为直流电压信号VDC，经电解电容C平波得到稳定的直流电平，再与两个给定电位(一为过压，另一为欠压)比较，结果得到过压(欠压)输出信号HV(LV)。正常情况下，隔离电路不通，当发生过压(欠压)状态时，HV(LV)信号变低，从而触发DSP的NMI中断，调用过欠压中断处理程序，封锁交流脉冲，切断输入，起到保护作用。
通过以上保护措施，既可有效地降低因使用或负载因素对电源造成的侵害，进一步提高电源的可靠性，又可有效地避免因电源故障可能对负载造成的损害。
4 光耦隔离电路
在数字化微机监控系统中，干扰通常通过电源线和地线串入微机主控系统而引起测试和控制的错误，因此必须加强数据采集和控制系统的抗干扰设计。在硬件上，通常采用的是使控制系统与前项和后项通道完全隔离，消除由于共地和共电源线而串入的干扰信号。经过光耦隔离，这样做的目的有两个：
(1)隔离驱动电路和控制电路，防止驱动电路影响控制电路，使系统工作不正常；
(2)IPM的六路输入信号为低有效，光耦的输出信号经过上拉，默认为高，可以保证系统初始化的时候智能模块不动作，保证了逆变电路的安全。
光电耦合器件具有非线性电流的传输特性，这对于数字量和开关量的传输不成问题，但若直接用于模拟量的传输，则线性度和精度都很差。本文采用的是一种线性光电隔离电路，电路简单实用，一般能达到0.5％的精度，在0～5V内具有很好的线性。从DSP的CPLD驱动输出与保护电路输出的DRIVE信号，通过稳压放大环节进入光电隔离器，一方面实现电气隔离，一方面产生OPPER信号，为下一步功率驱动部分提供输入。光耦隔离电路如图5所示。
5 辅助电源的设计
该控制系统采用TMS2000系列DSP实现电机的数字化控制，区别于其他控制芯片的电压要求，本文需要特别指出的是该型号的DSP芯片内部电源处理问题。
由于DSP控制芯片CPU内核电源引脚、I/O内核电源引脚以及内部模拟电路电源引脚电压一般是3.3V、1.8V低压稳定、隔离电源，需要将得到的＋5V直流电进一步进行电源转换。本文选用TI公司生产的专用TPS767D318双电压输出电源模块进行电源辅助设计。整流后的＋5V直流电通过电容滤除电流谐波，进入TPS767D318的5、6、11、12引脚，输出的电压通过电容滤波，得到需要的电压值，外接一个隔离电路既可以通入DSP电源引脚。这样的功能也可以通过LMlll7系列集成芯片完成。如图6所示。
6 实验结果
控制系统选用的关键器件主要是型号为Y802—4电动机，其输入电压为200～230V，额定输出0.85kW；PS21265型IPM智能功率模块，其额定电流20A，额定电压600V，适配电动机功率1.5kW/220VAC；TI公司专用TPS767D318双电压输出芯片，输入5V，最大输出电流为1A。
依据上述元器件的选取对设计的电路进行实验，电机在空载1500r/min运行时性能稳定，动态响应快，噪音低。本文给出了依据采集到的数据绘制的波形，如图7所示。图中只截取了电机稳态运行时的电流和转矩波形图，稳态时PWM脉宽的宽度按正弦分布。从图7中看到，电机起动时，需要一段加速过程，此时电机转速较慢，电机的定子三相电流比较大且频率比较低，波形为不太规则的正弦波，一段时间之后转速趋于稳定，稳态时定子三相电流为正弦波，电机的输出转矩和负载转矩相互平衡。
7 结束语
本文以DSP电机数字化控制系统研究为应用平台，重点讨论了系统中所涉及到的电源部分硬件电路设计，以采用智能功率模块IPM芯片进行逆变为核心，包含了过欠压保护、光耦隔离电路等，尤其细化了辅助电源转换电路。从波形图可以看到，设计的电源模块能够实现开关电源纹波较小，负载调整率高的功能，可以使系统具有很好的稳定性和抗干扰性。该硬件设计功能齐全、结构简单且易于进行升级和功能扩展，在电机控制领域具有非常广泛的应用价值。
8 参考文献
[1] 沈鸿，电机工程手册第九册[M]，5～18.
[2] 李凌志，张文志，孟瑞锋，基于DSP的无刷直流电机伺服
控制系统[J]，机电工程，2007，24(5)．
[3]任国兴，基于DSP的三相PWM整流技术研究，硕士论文
[J]，2006．
[4]邢振民，季林．一种基于变频控制的新型电动机电源设
计，微计算机信息2007，23(12-1)．
[5]孟武胜，杨鹏，基于DSP的永磁同步电机变频调速系统
设计研究[J]，微电机，2006，39(9)．
[6] 王海欣，黄海宏，开关磁阻电机三相逆变桥驱动电源设
计[J]l电力电子技术，2006，40(2)．
[7]李广海，叶勇，蒋静坪，IPM驱动和保护电路的研究[J]，
电子技术应用，2003，(12)．