電機驅(qū)動控制器的硬件設(shè)計

隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，業(yè)界對電機驅(qū)動系統(tǒng)的定位精度、轉(zhuǎn)速平滑性、穩(wěn)定性等有更高的要求，因此開發(fā)新一代全數(shù)字化交流電機驅(qū)動器十分有必要。本文著重于電機驅(qū)動控制器的硬件設(shè)計，為大家進行相關(guān)功能模塊電路設(shè)計提供思路。ADI 以系統(tǒng)級的角度為電機驅(qū)動提供了完整的方案。ADI 方案著眼于最高的系統(tǒng)性能和業(yè)界領(lǐng)先的集成度，具備最佳的系統(tǒng)效率、可靠性和連接性。

電機驅(qū)動器硬件設(shè)計

驅(qū)動控制器硬件可分為主功率電路和控制電路兩個部分：主功率電路主要以整流、逆變?yōu)橹?控制電路主要以微控制器為核心，還有功率驅(qū)動電路、電壓電流位置檢測、通訊模塊。其總體結(jié)構(gòu)如下圖 (圖1) 所示：

圖1 總體硬件結(jié)構(gòu)圖

微控制器模塊

ADI 開發(fā)的 ADSP-CM4xx DSP 處理器采用 ARM Cortex M4 內(nèi)核，集成了非常高精度的 ADC、數(shù)字化的加速器、濾波器、SRAM 和閃存，同時還具有豐富的外設(shè)。ADSP-CM4xx DSP 處理器主要適用于要求高性能的實時控制場合，尤其適合對電機驅(qū)動控制場景。下圖 (圖2) 為 ADSP-CM4xx 結(jié)構(gòu)展示：

圖2 ADSP-CM4xx結(jié)構(gòu)圖

功率驅(qū)動電路設(shè)計

功率驅(qū)動電路以 IGBT 為核心器件，DSP 輸出 PWM 信號隔離驅(qū)動 IGBT，實現(xiàn)對功率電路的控制。目前市場上 IGBT 驅(qū)動常以光耦隔離驅(qū)動為主，ADI 推出了 iCoupler 數(shù)字隔離器驅(qū)動器。

與傳統(tǒng)的光耦隔離相比，iCoupler 數(shù)字隔離能讓設(shè)計人員擺脫光耦合器的成本、尺寸、功耗、性能和可靠性限制，從而在設(shè)計中實現(xiàn)隔離。磁性隔離產(chǎn)品安全可靠且易于使用，是光耦合器的理想替代產(chǎn)品。它具有最高抗擾性、最低 EMI 和最高抗電涌能力，適合用于高噪聲、惡劣、不可預測的環(huán)境中。

ADI 磁隔離 IGBT 驅(qū)動器的特性

ADI 隔離技術(shù)采用磁隔離方式，具有較強的電氣隔離特性和驅(qū)動能力，符合工業(yè)自動化的安全性和魯棒性要求。ADI 磁隔離 IGBT 驅(qū)動器可發(fā)揮光耦或脈沖變壓器的性能和可靠性優(yōu)勢，具有以下特性：

50ns 最大傳播延遲

小于5ns 通道間匹配

400Vrms 工作電壓下的 50 年工作壽命

單封裝電流隔離

ADI ADuM4224 的特性

以 ADI 的 ADuM4224 為例，它正是采用了 iCoupler 技術(shù)的 4A 隔離式半橋柵極驅(qū)動器，提供獨立且隔離的高端和低端輸出，其特性如下：

5000Vrms 隔離

兩個獨立的隔離通道

采用3.0V – 5.5V 電源電壓工作

與低壓系統(tǒng)兼容

與采用高壓電平轉(zhuǎn)換方法的柵極驅(qū)動器相比， ADuM4224 的輸入與各輸出之間具有真電流隔離優(yōu)勢。相對于輸入，各路輸出的持續(xù)工作電壓最高可達 560 VPEAK，因而 ADuM4224 支持低端切換至負電壓。高端與低端之間的差分電壓最高可達 800 VPEAK。ADuM4224 驅(qū)動電路如下圖 (圖3) 所示：

圖3 ADuM4224 驅(qū)動電路圖

電流檢測

電機電流的反饋是實現(xiàn)電機驅(qū)動控制算法的核心參數(shù)，因此電機電流的采集至關(guān)重要。電流屬于功率回路參數(shù)，采集電流信號需要控制回路隔離。一般用霍爾采樣方式進行采集，但該方式體積大、精度低，難以實現(xiàn)更高精度的要求。

ADI 的 ADuM7703 隔離式 Σ-Δ 調(diào)制器可將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為高速 (最高頻率為 20 MHz)、單個位數(shù)據(jù)流;調(diào)制器輸出每個位數(shù)據(jù)的平均時間與輸入信號直接成正比。下圖 (圖4) 顯示使用 ADuM7703 在模擬輸入、電流檢測電阻、分流器和數(shù)字輸出之間提供隔離的典型應(yīng)用電路，數(shù)字濾波器將對數(shù)字輸出進行處理，以提供N位字。

圖4 電流采樣電路

位置檢測

為了實現(xiàn)精確定位，必須有較高的位置閉環(huán)控制，因此需要采集電機的位置狀態(tài)信息。通常采用靈活配置分辨率的方案來獲取最準確的位置信號。ADI 推出的 AD2S1210 是一款旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，能夠隨時隨地改變其分辨率。

ADI 的 AD2S1210 為集成的解決方案，內(nèi)部包括了振蕩器，可調(diào)節(jié)頻率，可調(diào)節(jié)電平，模擬輸入信號帶寬，還內(nèi)置故障檢查等功能。基于 AD2S1210 設(shè)計能用更少的外圍設(shè)計出高級的功能。位置采集電路如下圖 (圖5) 所示：

圖5 位置采集電路圖

通訊接口模塊

電機驅(qū)動器的通訊接口一般有工業(yè)以太網(wǎng)、RS485/422、CAN 這三種類型。ADI 推出了一系列隔離式 RS485/422、CAN 接口芯片可供選擇，主要有 ADM2587、ADM3053 等，該類隔離接口還集成了隔離式電源，能簡化系統(tǒng)設(shè)計。在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，工業(yè)以太網(wǎng)接口已成為主流，ADI 的 FIDO5200 和 TMC8462 是當前解決方案的參考首選。

平臺搭建及實驗結(jié)果

本文主要基于 ADI 的 DSP、隔離驅(qū)動、以及電流位置反饋為核心設(shè)計，以評估板 AD-FMCMOTCON2-EBZ 為平臺搭建系統(tǒng)測試性能。AD-FMCMOTCON2-EBZ 是 FPGA 夾層卡 (FMC) 板上一款完善的性能優(yōu)良的電機系統(tǒng)。采用基于 Mathworks 模型的設(shè)計集成系統(tǒng)建模和設(shè)計理念，它能夠提供完整的電機驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)三相 PMSM 和電機的高效和高動態(tài)控制，并支持用戶針對高性能電機系統(tǒng)快速建模和實現(xiàn)電機控制算法。電機驅(qū)動器實物如下圖 (圖6) 所示：

圖6 電機驅(qū)動器實物圖

實驗結(jié)果如下圖 (圖7) 所示，系統(tǒng)能較好地跟蹤輸入，具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。

圖7 實驗結(jié)果

總結(jié)

本文介紹了電機驅(qū)動器的硬件結(jié)構(gòu)，以及主要功能模塊的 ADI 實現(xiàn)方案，并在 ADI 方案平臺下進行了測試驗證，效果良好。

審核編輯：湯梓紅