直流無(wú)刷電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)

光電編碼器的工作原理為：在刻度盤(pán)上均勻分布一定數(shù)量的小孔，有光透過(guò)時(shí)產(chǎn)生邏輯“1”信號(hào)，沒(méi)有透光時(shí)產(chǎn)生邏輯“0”信號(hào)，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(hào)。

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(hào)輸入DSP的PHASEA腳和PHASEB腳，內(nèi)部的正交編碼模塊將信號(hào)進(jìn)行四倍頻，再由位置計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)從而可以確定轉(zhuǎn)子的速度和位置。如果PHASEA信號(hào)的相位領(lǐng)先于PHASEB信號(hào)，那么運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎?，落后則為負(fù)向。其正交信號(hào)檢測(cè)時(shí)序如圖4所示。

圖4 正交信號(hào)檢測(cè)時(shí)序圖

MC56F8323正交編碼模塊具有如下特點(diǎn)：PHASEA和PHASEB的輸入信號(hào)首先必須通過(guò)一個(gè)干擾信號(hào)濾波器，該濾波器可以數(shù)字延時(shí)，可以濾除毛刺，保證只有真正的信號(hào)才進(jìn)行計(jì)數(shù)。同時(shí)對(duì)于只用單個(gè)信號(hào)的控制，均可配置為單個(gè)的脈沖計(jì)數(shù)。

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

2.4 IPM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

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

IRAMS16UP60A PlugNDriveTM集成電源模塊（IPM）是IR公司iMOTION集成設(shè)計(jì)平臺(tái)系列的產(chǎn)品，它除了將6個(gè)高壓功率晶體管和驅(qū)動(dòng)芯片IR2136等電路集成在一個(gè)小型絕緣封裝外，還具有過(guò)熱、過(guò)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(gè)+15V直流電源來(lái)提供工作電壓，可以簡(jiǎn)化其在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的使用，并由此加速最終產(chǎn)品的開(kāi)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(jì)者避免了在IGBT逆變器設(shè)計(jì)中常遇到的幾個(gè)問(wèn)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(kāi)關(guān)損耗下可以工作于較高的開(kāi)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(shí)間控制提供充足死區(qū)時(shí)間防止高端IGBT和低端IGBT短路；
故障安全工作確保過(guò)流過(guò)壓時(shí)停機(jī)，使設(shè)計(jì)者不用設(shè)計(jì)過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)電路；
提供了溫度監(jiān)視和相電流檢測(cè)引腳。

3 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)論述了采用MC56F8323 DSP為核心的直流無(wú)刷電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)，給出了電流環(huán)、速度位置環(huán)和IPM驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)際應(yīng)用電路。此硬件設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用在國(guó)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。