直流無刷電機(jī)控制器的硬件設(shè)計

光電編碼器的工作原理為：在刻度盤上均勻分布一定數(shù)量的小孔，有光透過時產(chǎn)生邏輯“1”信號，沒有透光時產(chǎn)生邏輯“0”信號，這樣從光敏傳感器就可以產(chǎn)生A、B兩路相位相差90度的正交信號。

MC56F8323內(nèi)部帶有正交編碼模塊（quadrature decoder），從編碼器輸出的正交信號輸入DSP的PHASEA腳和PHASEB腳，內(nèi)部的正交編碼模塊將信號進(jìn)行四倍頻，再由位置計數(shù)器計數(shù)從而可以確定轉(zhuǎn)子的速度和位置。如果PHASEA信號的相位領(lǐng)先于PHASEB信號，那么運(yùn)動方向為正向，落后則為負(fù)向。其正交信號檢測時序如圖4所示。

圖4 正交信號檢測時序圖

MC56F8323正交編碼模塊具有如下特點(diǎn)：PHASEA和PHASEB的輸入信號首先必須通過一個干擾信號濾波器，該濾波器可以數(shù)字延時，可以濾除毛刺，保證只有真正的信號才進(jìn)行計數(shù)。同時對于只用單個信號的控制，均可配置為單個的脈沖計數(shù)。

對于一個高速轉(zhuǎn)軸編碼器，轉(zhuǎn)軸速度可以通過計算每單位時間內(nèi)位置計數(shù)器的變化值來得到。對于低速電機(jī)，由于輸入PHASEA和PHASEB與通用定時器相連均可作為輸入捕捉引腳，可以利用定時器測量正交相位之間的時間周期來得到高分辨率的速度測量。定時器模塊利用一個16位的計數(shù)器，通過對總線時鐘的分頻來計數(shù)，40MHz的總線時鐘頻率最大可以得到102ms的計數(shù)周期。對于一個1000齒的編碼器來說，通過利用定時器測量速度可以精確測量到0.15轉(zhuǎn)每分。

2.4 IPM驅(qū)動電路設(shè)計

IPM（智能功率模塊）驅(qū)動電路主要完成對DSP芯片產(chǎn)生的六路PWM信號的功率放大，驅(qū)動內(nèi)部的功率管從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動。

IRAMS16UP60A PlugNDriveTM集成電源模塊（IPM）是IR公司iMOTION集成設(shè)計平臺系列的產(chǎn)品，它除了將6個高壓功率晶體管和驅(qū)動芯片IR2136等電路集成在一個小型絕緣封裝外，還具有過熱、過流、欠壓和內(nèi)置死區(qū)控制防止高端IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和底端IGBT短路等保護(hù)功能，以確保操作安全以及系統(tǒng)可靠。此外，它還能夠由一個+15V直流電源來提供工作電壓，可以簡化其在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中的使用，并由此加速最終產(chǎn)品的開發(fā)。其典型應(yīng)用電路圖如圖5所示。

圖5 IPM典型應(yīng)用原理圖

與分立元件相比，模塊除了具有眾所周知的優(yōu)點(diǎn)（更小、更可靠、可視為單一元件）外，IRAMS16UP60A模塊還使設(shè)計者避免了在IGBT逆變器設(shè)計中常遇到的幾個問題：

模塊具有很低的電路電感，可以減小電壓尖峰，在較低的開關(guān)損耗下可以工作于較高的開關(guān)頻率；
所有低端和高端IGBT的傳輸延遲匹配，可以防止直流電流加到電機(jī)上；
內(nèi)置死去時間控制提供充足死區(qū)時間防止高端IGBT和低端IGBT短路；
故障安全工作確保過流過壓時停機(jī)，使設(shè)計者不用設(shè)計過流和過壓保護(hù)電路；
提供了溫度監(jiān)視和相電流檢測引腳。

3 結(jié)語

本文詳細(xì)論述了采用MC56F8323 DSP為核心的直流無刷電機(jī)控制器的硬件設(shè)計，給出了電流環(huán)、速度位置環(huán)和IPM驅(qū)動電路的實(shí)際應(yīng)用電路。此硬件設(shè)計已成功應(yīng)用在國內(nèi)某高檔電腦平縫機(jī)上，性能優(yōu)異，部分指標(biāo)達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。