基于可編程智能功率模塊PIIPM50P12B004的電機(jī)矢量

摘要：介紹了基于可編程智能功率模塊PIIPM50PP12B004的電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的組成原理及設(shè)計(jì)思想，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)具有較好的性能。

１　引言

隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的飛速發(fā)展，以及對電機(jī)控制要求的越來越高，在電機(jī)控制中已經(jīng)采用了新的電機(jī)控制芯片如數(shù)字信號處理器、可編程智能功率模塊等。特別是用以驅(qū)動開關(guān)磁阻電機(jī)、無刷直流電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)的功率模塊設(shè)計(jì)并不簡單，更別說在千瓦（ｋＷ）級的功率水平。該類模塊必須具備一定的智能和靈活性，才能加以配置以驅(qū)動這些流行的電機(jī)。

本設(shè)計(jì)所用的可編程智能功率模塊ＰＩ-ＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４是ＩＲ公司推出的高集成度智能功率模塊。該模塊在單一封裝內(nèi)將功率平臺整合到嵌入式驅(qū)動器板上，同時嵌入了ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６Ａ?內(nèi)部集成了三相逆變器功率平臺所需的各種功率半導(dǎo)體器件，并具備電流傳感、隔離、柵極驅(qū)動及功率平臺保護(hù)功能，可直接與電機(jī)驅(qū)動器主機(jī)及輸入平臺進(jìn)行接口。

２　交流異步電機(jī)矢量控制原理

異步電機(jī)本質(zhì)上是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方法對于新型伺服系統(tǒng)已不再適用，而矢量控制正是為適應(yīng)這一要求而發(fā)展起來的。它的核心是要對電機(jī)定子電流兩個正弦交變分量進(jìn)行獨(dú)立控制和調(diào)節(jié)，其實(shí)質(zhì)是要對空間向量實(shí)現(xiàn)磁動勢和磁場的控制，以便達(dá)到解藕的目的。在轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)中，一般把ｄ－ｑ坐標(biāo)系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場上，把靜止坐標(biāo)系中的各交流量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，并使ｄ軸與轉(zhuǎn)子磁場方向重合，此時轉(zhuǎn)子磁通ｑ軸分量為零，這樣，就可由ｄ軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通，而由ｑ軸分量控制轉(zhuǎn)矩。該矢量控制系統(tǒng)的基本原理圖如圖１所示。

３ ＰＩＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４的硬件組成

ＰＩＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４自身已經(jīng)配備了一個高性能伺服電機(jī)驅(qū)動的電流環(huán)路所需要的所有功能。該模塊帶有控制一個基于ＩＧＢＴ逆變器的所有外圍電路，其中包括電壓、溫度和電流輸出檢測。該模塊由嵌入式控制／邏輯控制板（ＥＤＢ）和功率輸出模塊（ＥＭＰ）兩個子系統(tǒng)組成，圖２和圖３分別為其結(jié)構(gòu)圖。

圖2

    這兩個子模塊之間的連接可通過ＥＤＢ上的一個連接器和ＥＭＰ上的配套引腳來完成。下面詳細(xì)介紹系統(tǒng)中各個硬件模塊的功能及實(shí)現(xiàn)方法。

３．１ 嵌入式驅(qū)動電路

圖２中的嵌入式驅(qū)動電路模塊包括電源管理模塊、柵極驅(qū)動模塊、電流采樣處理模塊以及信號處理模塊。電源管理模塊可提供器件所需的３．３Ｖ、５Ｖ和１５Ｖ電壓。門極驅(qū)動采用國際整流器公司的ＩＲ２２１３，它具有最大２Ａ的門極驅(qū)動能力。電流檢測處理也包含在ＥＤＢ中，由電流檢測放大器、電平移動電路和一個濾波器組成，檢測后將濾波器的輸出送到ＤＳＰ的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器。由于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６Ａ的片內(nèi)ＡＤＣ要求輸入０～３．３Ｖ的信號，又由于這里的傳感電阻為２ｍΩ?因此，電流范圍應(yīng)為±１００Ａ?由于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６Ａ ＤＳＰ有１０位模數(shù)轉(zhuǎn)換器?故ＰＩ-ＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４的最小電流為２×１００／２１０＝０．１９５３Ａ。

    ３．２ 功率變換模塊

本系統(tǒng)主電路采用的是交－直－交電壓源變頻變壓電路，所用的ＩＧＢＴ是ＩＲ公司的第五代新型產(chǎn)品ＮＰＴ １２００Ｖ－５０Ａ。該器件不需要施加任何負(fù)的門電壓即可使其完全關(guān)斷并且使拖尾電流大大減少。從ＥＭＰ圖中可以看到，在三相輸出電路中有感應(yīng)電阻，它們可以精確地提供電機(jī)電流感應(yīng)和短路保護(hù)。ＥＭＰ中還包含一個負(fù)溫度系數(shù)的溫度傳感器以提供過熱保護(hù)，當(dāng)溫度、電壓或是電流不在正常范圍內(nèi)時，檢測信號會將這些信息反饋給ＥＤＢ，然后經(jīng)處理送給ＤＳＰ，以便由ＤＳＰ進(jìn)行信號調(diào)節(jié)和處理并作出響應(yīng)。

另外，該系統(tǒng)還有過流保護(hù)功能，當(dāng)檢測出互感引腳電壓為２５０ｍＶ時，相關(guān)故障引腳變低，這時過流診斷電平大約為２５％，由于內(nèi)部光耦合器的延遲為３ｓ左右，因而足夠讓ＤＳＰ在１０ｓ的ＩＧＢＴ短路規(guī)定值之內(nèi)作出反應(yīng)，從而可為所有相對相短路提供充分的保護(hù)。

圖4

４　系統(tǒng)硬件介紹

該電機(jī)控制系統(tǒng)采用了雙ＣＰＵ處理的方法，即“ＤＳＰ＋ＭＣＵ”，這種方法主要是ＤＳＰ在實(shí)現(xiàn)測量、計(jì)算和控制方面具有優(yōu)勢，而單片機(jī)則用來完成外圍擴(kuò)展電路，像鍵盤、顯示和人機(jī)交互通訊等。這樣，可以充分利用ＤＳＰ和單片機(jī)的各自優(yōu)勢，使二者各司其職，從而提高了系統(tǒng)的精度和速度。圖４所示是該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

４．１ 主控模塊

本系統(tǒng)的核心是ＰＩＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４，它的內(nèi)部嵌入了ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６Ａ。在該系統(tǒng)中，ＤＳＰ作為從機(jī)，主機(jī)用ＡＴ８９Ｃ５２來實(shí)現(xiàn)，它們之間通過ＲＳ４８５進(jìn)行通訊，ＲＳ４８５和ＤＳＰ間由ＴＩ公司專門提供的接口卡來實(shí)現(xiàn)連接。ＴＩ公司的電機(jī)控制芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６Ａ的運(yùn)算能力很強(qiáng)，而且采樣精度高，功耗低，它的指令執(zhí)行速度達(dá)４０ＭＩＰＳ，非常適合實(shí)時性要求較高的伺服控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，用它來實(shí)現(xiàn)的計(jì)算有Ｃｌａｒｋ變換、Ｐａｒｋ變換，以及完成電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的檢測和故障保護(hù)等功能。

    ４．２ 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)部分的編程要完成的主要功能包括?主程序模塊、鍵盤中斷模塊、定時模塊等。ＤＳＰ部分的主程序包括系統(tǒng)及外設(shè)初始化程序、坐標(biāo)變換、ＰＷＭ信號產(chǎn)生、故障檢測及處理等。它的控制程序包括ＰＷＭ定時中斷程序、功率驅(qū)動保護(hù)程序、通訊中斷程序等。圖５給出了控制算法流程圖。

５ 結(jié)論

本文介紹的新型器件ＰＩＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４是專為伺服驅(qū)動的高性能要求而設(shè)計(jì)的，該模塊通過高效率、堅(jiān)固耐用的設(shè)計(jì)可以提供非常精確的電流反饋環(huán)路，且噪音極低，其封裝尺寸比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)小５０％。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)只需致力于控制策略和軟件開發(fā)，因此加快了產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時也能夠輕易將產(chǎn)品升級，并有效簡化硬件設(shè)計(jì)，從而使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡潔、緊湊。