基于可编程智能功率模块PIIPM50P12B004的电机矢量

摘要：介绍了基于可编程智能功率模块PIIPM50PP12B004的电机矢量控制系统的组成原理及设计思想，详细阐述了系统的硬件构成和软件设计方法。实验表明：该系统具有较好的性能。

１　引言

随着电力电子技术和现代控制技术的飞速发展，以及对电机控制要求的越来越高，在电机控制中已经采用了新的电机控制芯片如数字信号处理器、可编程智能功率模块等。特别是用以驱动开关磁阻电机、无刷直流电机和交流感应电机的功率模块设计并不简单，更别说在千瓦（ｋＷ）级的功率水平。该类模块必须具备一定的智能和灵活性，才能加以配置以驱动这些流行的电机。

本设计所用的可编程智能功率模块ＰＩ-ＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４是ＩＲ公司推出的高集成度智能功率模块。该模块在单一封装内将功率平台整合到嵌入式驱动器板上，同时嵌入了ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６Ａ?内部集成了三相逆变器功率平台所需的各种功率半导体器件，并具备电流传感、隔离、栅极驱动及功率平台保护功能，可直接与电机驱动器主机及输入平台进行接口。

２　交流异步电机矢量控制原理

异步电机本质上是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，传统的控制方法对于新型伺服系统已不再适用，而矢量控制正是为适应这一要求而发展起来的。它的核心是要对电机定子电流两个正弦交变分量进行独立控制和调节，其实质是要对空间向量实现磁动势和磁场的控制，以便达到解藕的目的。在转子磁场定向矢量控制系统中，一般把ｄ－ｑ坐标系放在同步旋转磁场上，把静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使ｄ轴与转子磁场方向重合，此时转子磁通ｑ轴分量为零，这样，就可由ｄ轴分量控制转子磁通，而由ｑ轴分量控制转矩。该矢量控制系统的基本原理图如图１所示。

３ ＰＩＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４的硬件组成

ＰＩＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４自身已经配备了一个高性能伺服电机驱动的电流环路所需要的所有功能。该模块带有控制一个基于ＩＧＢＴ逆变器的所有外围电路，其中包括电压、温度和电流输出检测。该模块由嵌入式控制／逻辑控制板（ＥＤＢ）和功率输出模块（ＥＭＰ）两个子系统组成，图２和图３分别为其结构图。

图2

    这两个子模块之间的连接可通过ＥＤＢ上的一个连接器和ＥＭＰ上的配套引脚来完成。下面详细介绍系统中各个硬件模块的功能及实现方法。

３．１ 嵌入式驱动电路

图２中的嵌入式驱动电路模块包括电源管理模块、栅极驱动模块、电流采样处理模块以及信号处理模块。电源管理模块可提供器件所需的３．３Ｖ、５Ｖ和１５Ｖ电压。门极驱动采用国际整流器公司的ＩＲ２２１３，它具有最大２Ａ的门极驱动能力。电流检测处理也包含在ＥＤＢ中，由电流检测放大器、电平移动电路和一个滤波器组成，检测后将滤波器的输出送到ＤＳＰ的Ａ／Ｄ转换器。由于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６Ａ的片内ＡＤＣ要求输入０～３．３Ｖ的信号，又由于这里的传感电阻为２ｍΩ?因此，电流范围应为±１００Ａ?由于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６Ａ ＤＳＰ有１０位模数转换器?故ＰＩ-ＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４的最小电流为２×１００／２１０＝０．１９５３Ａ。

    ３．２ 功率变换模块

本系统主电路采用的是交－直－交电压源变频变压电路，所用的ＩＧＢＴ是ＩＲ公司的第五代新型产品ＮＰＴ １２００Ｖ－５０Ａ。该器件不需要施加任何负的门电压即可使其完全关断并且使拖尾电流大大减少。从ＥＭＰ图中可以看到，在三相输出电路中有感应电阻，它们可以精确地提供电机电流感应和短路保护。ＥＭＰ中还包含一个负温度系数的温度传感器以提供过热保护，当温度、电压或是电流不在正常范围内时，检测信号会将这些信息反馈给ＥＤＢ，然后经处理送给ＤＳＰ，以便由ＤＳＰ进行信号调节和处理并作出响应。

另外，该系统还有过流保护功能，当检测出互感引脚电压为２５０ｍＶ时，相关故障引脚变低，这时过流诊断电平大约为２５％，由于内部光耦合器的延迟为３ｓ左右，因而足够让ＤＳＰ在１０ｓ的ＩＧＢＴ短路规定值之内作出反应，从而可为所有相对相短路提供充分的保护。

图4

４　系统硬件介绍

该电机控制系统采用了双ＣＰＵ处理的方法，即“ＤＳＰ＋ＭＣＵ”，这种方法主要是ＤＳＰ在实现测量、计算和控制方面具有优势，而单片机则用来完成外围扩展电路，像键盘、显示和人机交互通讯等。这样，可以充分利用ＤＳＰ和单片机的各自优势，使二者各司其职，从而提高了系统的精度和速度。图４所示是该系统的结构。

４．１ 主控模块

本系统的核心是ＰＩＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４，它的内部嵌入了ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６Ａ。在该系统中，ＤＳＰ作为从机，主机用ＡＴ８９Ｃ５２来实现，它们之间通过ＲＳ４８５进行通讯，ＲＳ４８５和ＤＳＰ间由ＴＩ公司专门提供的接口卡来实现连接。ＴＩ公司的电机控制芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６Ａ的运算能力很强，而且采样精度高，功耗低，它的指令执行速度达４０ＭＩＰＳ，非常适合实时性要求较高的伺服控制系统。在该系统中，用它来实现的计算有Ｃｌａｒｋ变换、Ｐａｒｋ变换，以及完成电流环、速度环、位置环的检测和故障保护等功能。

    ４．２ 软件设计

单片机部分的编程要完成的主要功能包括?主程序模块、键盘中断模块、定时模块等。ＤＳＰ部分的主程序包括系统及外设初始化程序、坐标变换、ＰＷＭ信号产生、故障检测及处理等。它的控制程序包括ＰＷＭ定时中断程序、功率驱动保护程序、通讯中断程序等。图５给出了控制算法流程图。

５ 结论

本文介绍的新型器件ＰＩＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４是专为伺服驱动的高性能要求而设计的，该模块通过高效率、坚固耐用的设计可以提供非常精确的电流反馈环路，且噪音极低，其封装尺寸比传统设计小５０％。由于系统设计只需致力于控制策略和软件开发，因此加快了产品的开发周期，同时也能够轻易将产品升级，并有效简化硬件设计，从而使系统的结构更加简洁、紧凑。