智能功率模块PS21265在直流无刷电机伺服系统中的应用

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(郑州电力高等专科学校，河南 郑州 450004)

智能功率模块PS21265在直流无刷电机伺服系统中的应用

罗丹羽，张丽娟，崔均亮

(郑州电力高等专科学校，河南 郑州 450004)

介绍了基于智能功率模块(IPM)的直流无刷电机(BLDCM)伺服系统的设计原理和过程，侧重于智能功率模块PS21265在BLDCM控制系统中的具体应用，并分析了直流无刷电机的控制原理，并利用所建数学模型对直流无刷电机的控制系统进行了仿真，仿真结果表明设计达到了预期要求，电机起动快速、稳定，可靠性较好。

智能功率模块PS21265；伺服系统；直流无刷电机

1 引言

随着现代化工业的不断发展，伺服系统在许多领域的应用日益广泛，在工业器械方面的通用变频、交流伺服等的控制装置中，除了对高性能化、小型化、低损耗化的需求之外，对于易用性、顾全环境等的新要求也在逐年提高。这也要求在设计功率电路时应满足新需要[1,2]。与其他功率模块相比，智能功率模块IPM采用精型芯片，大幅降低控制电源的耗电量，在实现更低损耗的同时，实现了装置的小型化和轻量化，并可以完全实现无铅化。

本系统以450W直流无刷电机为被控对象，基于三菱公司的智能功率模块PS21265及德州仪器公司的控制专用DSP芯片TMS320F2812，利用PI控制方案，设计并实现了速度、电流双闭环的无刷直流电动机全数字化伺服系统。

2 系统原理及硬件电路设计

2.1流无刷电机的工作原理

直流无刷电机可以看作是一台用电子换相装置取代机械换相的直流电动机，如图1所示，永磁直流无刷电机主要由永磁电机本体、转子位置传感器和电子换相电路组成[3]。

图1 三相无刷直流电机原理图

普通直流电机的电枢在转子上，而定子产生固定不变的磁场。为了使直流电机旋转，需要通过换向器和电刷不断地改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电机不断旋转。直流无刷电机去掉了电刷，做成与普通直流电机相反的结构：将电枢放到定子上，转子使用永磁体。为了使电机的转子旋转，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样使定子磁场随着转子的位置不断变化，使定子磁场和转子永磁磁场始终保持90°左右的空间角，产生转矩推动转子旋转[4]。

2.2系统概述

直流无刷电机由智能功率模块(IPM)驱动，它集成了三相IGBT逆变器及其驱动与保护电路，其控制系统的硬件框图如图2所示。单相交流电经过整流滤波得到的直流电压，再经过IPM逆变后输出作为电机的三相输入。电机的电流信号由霍尔电流传感器获取，只需采集两相独立的电流信号即可。电机的位置信号由安装在机轴上的霍尔传感器器获得，速度信号由安装在机轴上的光电编码器获得。整个伺服系统的控制电路以TMS320F2812数字信号处理器为核心，它完成直流无刷电机数字控制中的传感器信号的采集与数据处理，实现电机的PI控制算法，产生控制电力电子器件(IGBT)开关的PWM信号。

图2 系统硬件框图

2.3功率电路

功率电路主要是指整流环节和三相逆变环节，在整流环节中本系统采用的是一个单相整流模块，整流环节如图3所示，220V单相交流电经过整流器整流为310V直流电，再经过滤波后进入逆变环节。

三相逆变环节则采用了智能功率模块(IPM)，IPM的驱动电路如图3所示。PS21265需要四组15V驱动电源，上桥组用3个电源，下桥共用一个电源，接入VCC引脚引脚。六个引脚(UL，VL，WL，UH，VH，WH)是经过光藕隔离后PWM+5V输入的控制端。UO1，VO1，WO1是三相输出电压，用于控制直流无刷电机，需要约10K上拉电阻接至5V电源电压。由于IPM内部集成了IGBT的驱动电路，所以在使用时可将DSP输出的PWM信号经光耦隔离后直接输出给IPM。PS21265内部具有SC(短路)、OC(过流)、UV(欠压)、OT(过热)四种自保护电路。如果以上四种电路中有一种动作，三相桥臂中的六个IGBT就会马上关断同时IPM会输出一个对应的故障信号以便通知系统控制器。在IPM中A，B，C三相桥臂的每个上管都分别有自己独立的SC，OC，UV，OT保护电路，而三相桥臂的下三管则共用一个保护电路，所以整个IPM模块中共有4个保护信号输出。这4路信号在输出给外部器件时也要先经光耦隔离。在设计系统控制电路时可将这4路信号综合后输到DSP的引脚，以便故障时及时封锁DSP的PWM信号。

图3 系统硬件框图

本系统采用MITSUBISHI公司第三代IPM中的PS21265，其特点和参数为[5]：

(1)应用HVIC实现集成电平转移，高电平导通逻辑，可与DSP/MCU接口兼容；

(2)输入信号端内置下拉电阻，外部无须再下拉电阻；

(3)输入对地电压典型值300V，桥式电压输出400V，峰值输出电流12A；

(4)开关频率典型值5kHz；

(5)过流、短路、超温、欠压的状态检测和保护，故障信息显示；

(6)单片集成的门驱动和保护逻辑。

3 系统软件设计

直流无刷电机控制系统软件的设计是DSP根据获得的电机转速的设定值以及从传感器信号测得的电机实时转速，用PI算法计算出电机的转速控制量，从而调节电机的转速，使电机的转速跟随转速的设定值。根据转速控制量和电机的实时转速，依照控制算法计算出新的PWM脉冲的占空比，更新EVA定时器1比较寄存器的值，从而产生PWM信号调节电机的转速。

4 系统仿真与分析

本系统利用Matlab/Simulink建立起来直流无刷电机控制系统的仿真模型，主要包括电机本体模块、逆变器模块、转速测量模块、位置模块和脉宽调制模块，并实现双闭环的控制算法。

其中，转速的给定值为560rpm。电机的主要参数为磁极对数为2对极；额定功率为450W，额定电压为220V，额定电流为2.5A，最大电流为5A，转动惯量为0.086KG·m2，气隙磁通为0.09365WB，电枢电阻为7.65Ω，与实验电机一致。

图4 空载时速率响应 图5 突加负载时速率响应

从仿真结果可以看出，当电机空载运行时，电机转速迅速(大约为0.02s时)上升到给定值560rpm，当在0.04s时突加0.3Nm的负载后，电机转速发生突降，但能迅速恢复到平衡状态。从仿真结果可以看出，本系统所建的电机和控制系统模型基本符合实际，并且具有较好的动态性能。

5 结论

本系统是以三菱公司的智能功率模块PS21265及德州仪器公司的控制专用DSP芯片TMS320F2812为核心芯片的直流无刷电机控制系统，系统硬件结构简单、软件实现方便，系统的功耗低、控制精度高、实时性强、升级空间较大，而且能够实现的控制功能丰富。尤是其内部的高速捕获单元、脉宽调制等模块，非常适用于直流无刷电机控制这样的实时应用中。本系统只实现了基本控制，功能相对单一。为使系统更具实用性，可开发非线性补偿、参数优化、故障诊断、多机协调控制等功能。

[1] 曲家骐.展望 21 世纪的无刷直流电动机[J].微特电机，1999(4)：41-43.

[2] 郑吉，王学普.直流无刷电机控制技术综述[J].微特电机，2002(3)：11-13.

[3] 胡宝兴.基于DSP的电动自行车用直流无刷电机控制系统的研究[D].浙江工业大学，2005.

[4] Bon-Ho Bae,Nitin Patel,Steven Schulz.New Field Weakening Technique for High Saliency Inte Permanent Magnet Motor.IEEE Transactions on Power Electronics,July,2003:898-901.

[5] DIP-IPM Ver.3 http://www.mitsubishicorp.com.

2013-09-14

罗丹羽(1981-)，女，汉，讲师，硕士研究生，主要研究方向为电能测量与分析；

崔均亮(1974-)，男，汉，讲师，硕士研究生，主要研究方向为智能仪器；

张丽娟(1982-)，女，汉，讲师，硕士研究生，主要研究方向为电机控制。

ApplicationofIPMPS21265inBLDCMServoSystem

LUODan-yu,ZHANGLi-juan,CUIJun-liang

(Zhengzhou Electric Power College，Zhengzhou 450004，China)

This paper presents the theory and process of the design for BLDCM using IPM PS21265,and analysis of BLDCM control theory.Take advantage of the mathematical model on BLDCM control system for the simulation.the results shows that the motor start fast and stable with wider area of speeding.and this BLCDM control system has the characteristic of simple structure,high dependability,and can be used in many fields.

IPM PS21265 servo system BLDCM

1004-289X(2013)06-0084-03

TM33

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