通用型电机数字控制实验平台

王千龙，蒋 伟，蒋步军，于 照，景 鑫，吴正飞

（扬州大学 电气与能源动力工程学院，江苏 扬州 225000）

电机数字控制实验系统是指利用数字控制器在电机实验平台上改变电机控制方式和功率变换器拓扑结构，进而完成不同类型电机的调速实验[1]。电机学和微特电机是电气专业较为难以掌握的专业课程，且涉及电机种类较多。为了学生能够深入理解每种电机的基本原理和控制方法，教师在课程教学过程中，可以利用实验平台引导学生动手调试不同电机，实现理实一体化教学。但由于电机课程涉及电机种类多，全部购置费用高[2]。为此我校电气实验室基于 DSP TMS320F28335 研发了一套低成本、易维护的通用型电机数字控制实验系统。该平台可以实现有刷直流电机、无刷直流电机、伺服电机、步进电机、开关磁阻电机、永磁同步电机以及异步电机等多种电机的基础调速实验。该平台可以帮助学生学习不同电机的控制原理及数字调速控制方法。

1 实验平台硬件

所设计的通用型电机数字控制实验平台主要由控制器、隔离电路、驱动电路、功率变换器主电路、上位机、液晶显示和检测电路等组成，如图1 所示。控制器选用TI 公司DSP TMS320F28335，该DSP 具有32 位浮点运算功能，其内部具有针对电机调速系统的捕获、PWM、ADC 以及编码器等模块，是电机控制系统常用的控制芯片[3]。

1.1 驱动电路

为了实现DSP 输出的控制信号能够稳定控制功率管的导通和关断，该平台选用HCPL-3120 光耦隔离芯片设计了一款开关管驱动模块[4]。该驱动模块输入端为控制器输出的3.3～5 V 控制信号，输出端输出与输入端相隔离的15 V 控制信号，用于直接驱动功率开关管。本系统所使用驱动电路的原理和实物图见图2，每块驱动板包含2 路相互隔离的驱动信号，学生通过输出端LED 灯的指示可以直观判断控制信号的高低电平状态。驱动板安装相对独立，维护和更换方便。

1.2 功率变换器

图3 为功率变换器主电路结构示意图。该主电路由6 个半桥电路组成。每个半桥中点通过导线引出接入相应的电机绕组连接头。

如果控制有刷直流电机，只需利用2 个半桥，将节点A 和B 连接直流电机绕线两端，闭合开关管K1 和K4 则电机正转，闭合K2、K3 则电机反转。而其他桥臂的开关管则通过控制器的GPIO 口输出低电平断开。

图1 实验平台硬件系统结构示意图和实验箱等实物

图2 驱动电路原理图和实物照片

图3 功率变换器主电路结构示意图

如果控制三相异步电机、永磁同步电机或者无刷直流电机（绕组星型连接），则需要利用3 个半桥组成三相桥式电路，利用CCS 开发环境，编写SPWM 或者SVPWM 控制程序，输出相应的PWM 信号控制开关管K1—K6。

如果控制两相开关磁阻电机，需要利用4 个桥臂，通过控制器输出低电平关断开关管K2—K5，组成2个不对称半桥主电路。

6 个半桥同时使用则可以控制三相开关磁阻电机（主电路设置为三相不对称半桥结构）和无刷直流电机（绕组独立）。

通过上述对主电路的配置，可以在一套功率变换器硬件基础上，通过软件编程设计，实现不同种类电机的调速实验，硬件成本大大降低，实验平台体积很小。

1.3 电流/电压检测电路

采用电流传感器对电流进行采样检测，如图 4所示。选用LEM 公司的LA55-P 电流传感器，可测得最大电流为50A。该电流传感器为±15 V 供电，输入为电流信号，从霍尔传感器的控制电流端通入电流，电流信号通过采样电阻变成电压信号，选用合适阻值的采样电阻使得输出电压保持在0～3 V，输入到DSP控制器中。

图4 电流检测电路原理图和实物照片

采用电压传感器对电压进行采样检测，如图5 所示。电压传感器型号为TBV10/25A，该传感器输入为电流信号，所以将待测电压信号经过电阻变成电流信号，根据输入电压的大小，选用不同阻值不同功率的电阻，控制输入电流为10 mA 以内。传感器的输出信号也是电流信号，通过采样电阻变成电压信号，选用合适的采样电阻，控制输出电压保持在0～3 V，输入到DSP 控制器中。

图5 电压检测原理图和实物照片

1.4 隔离电路

为确保位置信号与DSP 信号相互隔离以及电平匹配，本系统选用6N137 光耦与CD40106 施密特触发器设计了一款隔离模块，可将电机位置信号（编码器或者霍尔元件输出的位置方波信号）经过整形处理再转换成与DSP 电平相匹配的隔离信号传递给DSP控制器，本系统所使用隔离电路如图6 所示。

图6 隔离电路原理图和实物照片

2 实验平台搭建与结果分析

利用上述模块完成了通用型电机数字控制实验平台的搭建，如图7 所示。实验平台采用双层亚克力板，底层主要放置功率变换器、电源、驱动以及检测模块等，顶层主要有控制器、功率变换器引出节点端子和液晶显示模块等。整套实验平台放置于实验箱内，具有较好的便携性。该实验平台搭建完成后主要完成了三相开关磁阻电机[5-6]、两相开关磁阻电机[7]、三相异步电机[8-9]和直流电机[10-11]的调速实验。

图7 通用型电机数字控制实验平台

（1）实验一：三相开关磁阻电机调速实验。通过GPIO 口设置，使得功率变换器中开关管K2、K3、K6、K7、K10 和K11 呈现关断状态，功率变换器变为三相不对称半桥结构。实验需要将开关磁阻电机的位置信号通过隔离模块输入到控制器的编码器模块，控制器根据位置信号判断电机每相的相对位置，再结合开通关断角输出每相绕组的开通和关断信号。控制信号经过隔离模块直接控制开关管的开断。本实验使用一台500 W 三相6/4 结构开关磁阻电机，设置开通角0°，关断角40°，PWM 频率为10 kHz，占空比为70%，完成了其开环调速试验。图8 为该电机相电流波形。

图8 三相开关磁阻电机相电流波形

（2）实验二：两相开关磁阻电机调速实验。针对一台500 W 两相高速开关磁阻电机，完成其闭环调速实验。通过GPIO 口设置，使得功率变换器中开关管K2、K3、K6、K7、K9、K10、K11 和K12 呈现关断状态，功率变换器变为两相不对称半桥结构。将电机位置检测霍尔信号经过隔离模块输入到控制器的捕获单元，通过位置信号的上升和下降沿判断各相的导通区间。控制器根据转速偏差，利用PI 调节器输出占空比可调的PWM 控制信号，完成该电机的转速闭环实验。设置电机给定转速分别为6 000、25 000 和17 000 r/min，通过频压转换模块测得其转速曲线，如图9 所示。

图9 两相开关磁阻电机转速曲线

（3）实验三：三相异步电机调速实验。实验对象为一台200 W 三相异步电机。通过GPIO 口设置，使功率变换器中开关管K7—K12 呈现关断状态，功率变换器变为三相全桥结构。利用CCS 开发环境，完成SVPWM 编程[12]，通过DSP 的PWM1–PWM6 输出相应的PWM 信号。图10 为三相异步电机绕组端电压波形。将三相异步电机换成LC 滤波器可得到如图11 所示的三相交流电压信号，该实验亦可作为电力电子技术课程三相逆变电路设计部分。

图10 三相异步电机端电压波形

图11 三相交流电压波形

（4）实验四：直流电机调速实验。实验对象为一台100W 有刷直流电机。通过GPIO 口设置，使得功率变换器中开关管K1 和K4 始终呈导通状态，K2 和K3 呈现关断状态，节点A 和B 接入直流电机励磁绕组。此外，开关管K9—K12 呈关断状态。通过控制器控制开关管K5 和K8 导通使得电机正向旋转，控制开关管K6 和K7 导通使得电机反向旋转。图12 为直流电机电枢绕组的电压和电流波形。

图12 直流电机相电流波形

3 结语

本文基于TI DSP TMS320F28335 设计了通用型电机数字控制实验平台，给出了驱动电路、隔离电路、电压/电流采样电路和通用型主电路的原理图。根据功率变换器不同节点的配置完成多种电机的调速实验。给出了三相开关磁阻电机、两相高速开关磁阻电机、三相异步电机以及直流电机的控制方法和实验结果。该实验平台可适用于多种常规电机和特种电机的调速实验，硬件成本低、维护简单、便携性好。