基于DSP28069的永磁电机容错驱动系统*

王 壮， 赵文祥， 吉敬华， 朱纪洪

(1. 江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013；2. 清华大学 计算机科学与技术系，北京 100084)

0 引 言

DSP等高性能处理器的广泛应用对电机驱动系统的灵活运行发挥着重要作用[1-5]，但对常规电机及其驱动系统存在一定的故障率，尤其在航空航天、军事装备等高可靠性需求领域。

相对于传统电励磁电机，永磁电机可以提高电机的效率和功率密度[6]。在此基础上，为进一步提高系统可靠性，永磁容错电机成为当今研究热点之一[7-8]。在实际应用中，电机的故障率相对于驱动系统的故障率较低，容错电机一般需要依靠增加电机相数来提高可靠性[9-10]，增加了成本和体积。本文设计了一种高可靠性的容错控制系统，在不影响电机高效率的情况下，兼具高可靠性。将基于一台三相9/6极的永磁电机为控制对象，设计了一套以DSP28069为核心器件，辅以CPLD进行逻辑控制的容错驱动系统。9/6极永磁电机结构如图1所示。

图1 9/6极永磁电机结构

1 系统结构

本系统采用基于H桥的容错驱动设计，实现电机各相驱动独立控制。基于H桥的容错驱动系统如图2所示。

图2 基于H桥的容错驱动系统

电机容错驱动系统功能如图3所示。依靠通信接口RS- 485，上位机向DSP发送速度控制指令，并实时显示转速、电流等信息。DSP指令跟随速度控制信号，转化为相应的PWM信号，经过CPLD进行逻辑扩展，提供实际所需数量的PWM信号，减少了外围电路。转化后的PWM信号通过驱动芯片控制H桥电路的通断，进而控制电机实时转动。为实现高精度的驱动，采用转速、电流双闭环控制，对电机各相进行电流检测。在DSP中，进行电流闭环控制，通过旋转变压器，获得实时的速度和角度信号，反馈到DSP中，实现速度闭环控制。此外，为避免实际系统中电流过大，对电机和驱动系统产生致命的损伤，各相驱动系统采用电流保护措施。将过流信号传输到CPLD中，禁止该相驱动输出。

图3 电机容错驱动系统功能

2 控制电路

控制电路主要由控制芯片和相关电源组成，其主要功能是实现各种程序算法，产生相应的驱动信号，控制驱动电路。控制系统的核心处理器采用TMS320F28069，并以LC4256V-75TN100作为辅助控制器。TMS320F28069是一款电机数字控制浮点型DSP，具有控制程序编写简易、供电简单、控制可靠等优点，主要实现各种信号的采集换算和控制程序的转换，包括电流换算、速度读取、角度转换、串口通信、闭环控制等任务。LC4256V-75TN100是一款简易的CPLD，辅助DSP进行驱动信号的扩展和程序的逻辑控制及相应的驱动保护。

系统的主供电压为+5V和+15V，而DSP、CPLD等芯片的供电需求为+3.3V，应进行电平转换。TMS320F28069使用内部参考电源模式，外部仅需供电+3.3V，内部即可同时产生+1.8V，减少外部电源类型，简化电源电路。LM3940是一款高集成的电源转换芯片，用于+5V和+3.3V电源同时存在的场合，外部所需器件极少，带有短路保护、温度保护等功能。控制电路主供电源的电路图如图4所示。发光二极管用来指示输入电源是否正常，输出端加不同数值的瓷片电容，可消除不同频段的高次谐波，提高电源质量。

图4 控制电路主供电源电路图

3 驱动电路

驱动电路主要由主驱动电路、电流检测电路、速度检测电路组成。其主要功能是响应控制电路的各种驱动信号，驱动系统运转。

3.1 主驱动电路设计

主驱动电路是整个驱动系统的最终执行部位，主要由开关管IGBT组成的H桥电路和IGBT的驱动芯片及相关电路组成。H桥电路的驱动类似，以一相半桥驱动为例。一相半桥驱动电路图如图5所示。

图5 一相半桥驱动电路图

IGBT选用IXXH75N60C3D1，开关频率可达60kHz，最高工作电压600V，驱动电流最大75A。为加快IGBT关断速度，防止输出电压振荡，一般取接地电阻约1kΩ。在栅极处串联1～22Ω的栅极电阻，控制栅极驱动信号的上升时间，避免栅极信号振荡。在电源两端并联电容，可以消除一定的电源噪声。

驱动芯片选用ADuM3223，内部具有高低压隔离，输入3.3～5V的CMOS电平，兼容DSP和CPLD电平。输出4.5～18V，为使IGBT严格导通，取15V驱动输出。ADuM3223半桥驱动芯片带有使能控制信号端，DISABLE管脚可用于保护控制。故障信号产生时，DISABLE管脚置高电平，使得驱动输出保持低电平，IGBT处于关断状态。此外，H桥电路上桥臂与下桥臂的参考地不同，上桥臂为浮地。考虑方便实用，采用自举电路，使用自举二极管和自举电容配合的方式。

3.2 电流检测电路设计

为实现电流闭环控制和过流保护设计，需进行电流检测。考虑实际电流需求和电路板大小限制及应用温度范围，选择霍尔电流传感器ACS714LLCTR-30A-T，各项指标都满足要求。一相电流检测电路及调理电路图如图6所示。霍尔电流传感器ACS714电流检测范围为±30A，对应输出电压范围为0.5～4.5V。TMS320F28069的AD口电平最大为3.3V，为达到兼容，电流传感器的输出电压范围需按比例转化到AD口电平允许的范围内。使用轨对轨的单运放OPA340，可灵活配置电阻，将电平转化到安全范围内。

图6 一相电流检测电路及调理电路图

3.3 转速检测电路设计

单独采用电流闭环控制不能满足系统需求，往往采用转速、电流双闭环的控制策略。为实现转速闭环控制，需实时检测速度信息，使用旋转变压器可实时获得速度和角度信息。

AD2S1210是一款10～16bit分辨率的旋变数字转换器。片上集成可编程正弦波振荡器，可为旋转变压器提供正弦波激励，且兼容DSP和SPI接口标准。该产品不仅可以读取速度信息，还可以同时获取角度信息，简化控制程序。AD2S1210输出差分式激励信号，在与旋转变压器连接时，一般需通过缓冲电路。差分激励信号的一路缓冲电路图如图7所示，另一路差分激励信号的缓冲电路原理图与此类似。

为实现单电源供电的简便方式，给激励信号加参考偏移电平，使输出保持为正。一般偏移电平取5～6V。反馈端加电容，可以滤除输出噪声，提高输出的可靠性。输出端设计为推挽电路，实现整个激励信号的放大。

图7 差分激励信号的一路缓冲电路图

4 保护电路

在实际系统中，电流过流会对整个系统造成巨大的损伤，往往不可恢复。为避免此类危害，需设计过流保护电路。CPLD配合施密特触发器的方式可大大简化电路。施密特触发器的阈值设置为电流传感器输出电压值的有效范围，超过阈值，输出低电平，表明电流值超过最大量程，出现过流现象。低电平信号传到CPLD中，进行逻辑控制，向相应驱动电路的DISABLE信号发送高电平，禁止驱动信号输出，关断该相IGBT。一相驱动电路的保护电路图如图8所示。

图8 一相驱动电路的保护电路图

AD8468是一款专门比较器。两个比较器组合成施密特触发器。设定高低压阈值，对应电流传感器输出电压的工作范围。为兼容CPLD接口电平，与电流采样类似，阈值需使用经过电路调理后的电平。模拟的过电流保护波形如图9所示。其中，通道1为模拟的实际电流传感器输出信号波形，通道2为经过调理电路后的电流传感器输出信号波形，通道3为保护信号波形。保护信号低电平有效，虚线为设定阈值。由图9可知，电平值超过阈值，保护信号立即变成低电平，进行过流保护。恢复到正常情况后，故障电平消除，可恢复驱动，具有一定的容错功能。

图9 过电流保护波形

5 试验结果与分析

试验以一台9/6极永磁电机为控制对象，使用转速、电流双闭环控制。给控制电路提供控制电压+5V，给驱动电路提供驱动电压+15V和工作电压+84V，通过上位机向控制板发送转速指令，电机在一定负载情况下，转速达到2800r/min。用示波器测量一相H桥电路半个桥臂的驱动信号波形、输出电压波形及电机的相电流波形。半个桥臂的驱动信号波形和输出电压波形如图10所示。其中，通道1为半桥的输出电压波形，通道2为电源波形，通道3为下管的栅极驱动信号波形，通道4是上管的栅极驱动信号波形。上桥臂采用自举电路，与下桥臂的参考地不同，所以上管的栅极驱动信号波形为电源波形和实际栅极驱动信号波形的合成，符合驱动要求。

图10 半个桥臂的驱动信号波形和输出电压波形

电机转速2800r/min情况时，电机各相电流的波形图如图11所示。其中，通道1为实时角度值转化的位置信号，在0°～180°时为高电平，在180°～360°时为低电平。通道2为电机A相电流波形，通道3为电机B相电流波形，通道4为电机C相电流波形。由图可知，电机相电流符合电流正弦趋势，相位符合实际情况，进一步优化控制程序，可达到更好的控制效果。

图11 2800r/min时电机各相电流波形

6 结 语

本文以DSP28069为核心控制器，辅以CPLD作为逻辑控制，旋转变压器为检测元件的H桥驱动系统，成功驱动9/6极永磁电机，提高了整个系统的灵活性、可靠性，简化了电路，具有实用价值。

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