基于DSP的直流无刷电机控制器的硬件设计

机控制中具有非常重要的作用，其检测到的精确性直接反应到对电机控制的精度。速度的测量方法有多种，如测速发电机、感应式转速传感器、霍尔转速传感器、光电式转速传感器以及旋转变压器式转速传感器等。但目前调速系统速度和位置反馈控制中应用较多的还是增量式光电编码器，它不仅可以检测电动机转速，还可以测定电动机的转向及转子相对于定子的位置。其结构图如图3所示。

图3 光电编码器结构图

光电编码器的工作原理为：在刻度盘上均匀分布一定数量的小孔，有光透过时产生逻辑"1"信号，没有透光时产生逻辑"0"信号，这样从光敏传感器就可以产生A、B两路相位相差90度的正交信号。

MC56F8323内部带有正交编码模块（quadrature decoder），从编码器输出的正交信号输入DSP的PHASEA脚和PHASEB脚，内部的正交编码模块将信号进行四倍频，再由位置计数器计数从而可以确定转子的速度和位置。如果PHASEA信号的相位领先于PHASEB信号，那么运动方向为正向，落后则为负向。其正交信号检测时序如图4所示。

图4 正交信号检测时序图

MC56F8323正交编码模块具有如下特点：PHASEA和PHASEB的输入信号首先必须通过一个干扰信号滤波器，该滤波器可以数字延时，可以滤除毛刺，保证只有真正的信号才进行计数。同时对于只用单个信号的控制，均可配置为单个的脉冲计数。

对于一个高速转轴编码器，转轴速度可以通过计算每单位时间内位置计数器的变化值来得到。对于低速电机，由于输入PHASEA和PHASEB与通用定时器相连均可作为输入捕捉引脚，可以利用定时器测量正交相位之间的时间周期来得到高分辨率的速度测量。定时器模块利用一个16位的计数器，通过对总线时钟的分频来计数，40MHz的总线时钟频率最大可以得到102ms的计数周期。对于一个1000齿的编码器来说，通过利用定时器测量速度可以精确测量到0.15转每分。

2.4 IPM驱动电路设计

IPM（智能功率模块）驱动电路主要完成对DSP芯片产生的六路PWM信号的功率放大，驱动内部的功率管从而实现对电机的驱动。

IRAMS16UP60A PlugNDriveTM集成电源模块（IPM）是IR公司iMOTION集成设计平台系列的产品，它除了将6个高压功率晶体管和驱动芯片IR2136等电路集成在一个小型绝缘封装外，还具有过热、过流、欠压和内置死区控制防止高端IGBT（绝缘栅双极晶体管）和底端IGBT短路等保护功能，以确保操作安全以及系统可靠。此外，它还能够由一个+15V直流电源来提供工作电压，可以简化其在电机驱动应用中的使用，并由此加速最终产品的开发。其典型应用电路图如图5所示。

图5 IPM典型应用原理图

与分立元件相比，模块除了具有众所周知的优点（更小、更可靠、可视为单一元件）外，IRAMS16UP60A模块还使设计者避免了在IGBT逆变器设计中常遇到的几个问题：

? 模块具有很低的电路电感，可以减小电压尖峰，在较低的开关损耗下可以工作于较高的开关频率；

? 所有低端和高端IGBT的传输延迟匹配，可以防止直流电流加到电机上；

? 内置死去时间控制提供充足死区时间防止高端IGBT和低端IGBT短路；

? 故障安全工作确保过流过压时停机，使设计者不用设计过流和过压保护电路；

? 提供了温度监视和相电流检测引脚。

3 结语

本文详细论述了采用MC56F8323 DSP为核心的直流无刷电机控制器的硬件设计，给出了电流环、速度位置环和IPM驱动电路的实际应用电路。此硬件设计已成功应用在国内某高档电脑平缝机上，性能优异，部分指标达到行业领先水平。