摘要：介紹了基于可編程智能功率模塊pIIpM50pp12B004的電機矢量控制系統的組成原理及設計思想，詳細闡述了系統的硬件構成和軟件設計方法。實驗表明：該系統具有較好的性能。

１引言

隨著電力電子技術和現代控制技術的飛速發展，以及對電機控制要求的越來越高，在電機控制中已經采用了新的電機控制芯片如數字信號處理器、可編程智能功率模塊等。特別是用以驅動開關磁阻電機、無刷直流電機和交流感應電機的功率模塊設計并不簡單，更別說在千瓦（ｋＷ）級的功率水平。該類模塊必須具備一定的智能和靈活性，才能加以配置以驅動這些流行的電機。

本設計所用的可編程智能功率模塊ＰＩ-ＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４是ＩＲ公司推出的高集成度智能功率模塊。該模塊在單一封裝內將功率平臺整合到嵌入式驅動器板上，同時嵌入了ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６Ａ?內部集成了三相逆變器功率平臺所需的各種功率半導體器件，并具備電流傳感、隔離、柵極驅動及功率平臺保護功能，可直接與電機驅動器主機及輸入平臺進行接口。

２交流異步電機矢量控制原理

異步電機本質上是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統，傳統的控制方法對于新型伺服系統已不再適用，而矢量控制正是為適應這一要求而發展起來的。它的核心是要對電機定子電流兩個正弦交變分量進行獨立控制和調節，其實質是要對空間向量實現磁動勢和磁場的控制，以便達到解藕的目的。在轉子磁場定向矢量控制系統中，一般把ｄ－ｑ坐標系放在同步旋轉磁場上，把靜止坐標系中的各交流量轉化為旋轉坐標系中的直流量，并使ｄ軸與轉子磁場方向重合，此時轉子磁通ｑ軸分量為零，這樣，就可由ｄ軸分量控制轉子磁通，而由ｑ軸分量控制轉矩。該矢量控制系統的基本原理圖如圖１所示。

３ＰＩＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４的硬件組成

ＰＩＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４自身已經配備了一個高性能伺服電機驅動的電流環路所需要的所有功能。該模塊帶有控制一個基于ＩＧＢＴ逆變器的所有外圍電路，其中包括電壓、溫度和電流輸出檢測。該模塊由嵌入式控制／邏輯控制板（ＥＤＢ）和功率輸出模塊（ＥＭＰ）兩個子系統組成，圖２和圖３分別為其結構圖。

圖2

這兩個子模塊之間的連接可通過ＥＤＢ上的一個連接器和ＥＭＰ上的配套引腳來完成。下面詳細介紹系統中各個硬件模塊的功能及實現方法。

３．１嵌入式驅動電路

圖２中的嵌入式驅動電路模塊包括電源管理模塊、柵極驅動模塊、電流采樣處理模塊以及信號處理模塊。電源管理模塊可提供器件所需的３．３Ｖ、５Ｖ和１５Ｖ電壓。門極驅動采用國際整流器公司的ＩＲ２２１３，它具有最大２Ａ的門極驅動能力。電流檢測處理也包含在ＥＤＢ中，由電流檢測放大器、電平移動電路和一個濾波器組成，檢測后將濾波器的輸出送到ＤＳＰ的Ａ／Ｄ轉換器。由于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６Ａ的片內ＡＤＣ要求輸入０～３．３Ｖ的信號，又由于這里的傳感電阻為２ｍΩ?因此，電流范圍應為±１００Ａ?由于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６ＡＤＳＰ有１０位模數轉換器?故ＰＩ-ＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４的最小電流為２×１００／２１０＝０．１９５３Ａ。

３．２功率變換模塊

本系統主電路采用的是交－直－交電壓源變頻變壓電路，所用的ＩＧＢＴ是ＩＲ公司的第五代新型產品ＮＰＴ１２００Ｖ－５０Ａ。該器件不需要施加任何負的門電壓即可使其完全關斷并且使拖尾電流大大減少。從ＥＭＰ圖中可以看到，在三相輸出電路中有感應電阻，它們可以精確地提供電機電流感應和短路保護。ＥＭＰ中還包含一個負溫度系數的溫度傳感器以提供過熱保護，當溫度、電壓或是電流不在正常范圍內時，檢測信號會將這些信息反饋給ＥＤＢ，然后經處理送給ＤＳＰ，以便由ＤＳＰ進行信號調節和處理并作出響應。

另外，該系統還有過流保護功能，當檢測出互感引腳電壓為２５０ｍＶ時，相關故障引腳變低，這時過流診斷電平大約為２５％，由于內部光耦合器的延遲為３ｓ左右，因而足夠讓ＤＳＰ在１０ｓ的ＩＧＢＴ短路規定值之內作出反應，從而可為所有相對相短路提供充分的保護。

圖4

４系統硬件介紹

該電機控制系統采用了雙ＣＰＵ處理的方法，即“ＤＳＰ＋ＭＣＵ”，這種方法主要是ＤＳＰ在實現測量、計算和控制方面具有優勢，而單片機則用來完成外圍擴展電路，像鍵盤、顯示和人機交互通訊等。這樣，可以充分利用ＤＳＰ和單片機的各自優勢，使二者各司其職，從而提高了系統的精度和速度。圖４所示是該系統的結構。

４．１主控模塊

本系統的核心是ＰＩＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４，它的內部嵌入了ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６Ａ。在該系統中，ＤＳＰ作為從機，主機用ＡＴ８９Ｃ５２來實現，它們之間通過ＲＳ４８５進行通訊，ＲＳ４８５和ＤＳＰ間由ＴＩ公司專門提供的接口卡來實現連接。ＴＩ公司的電機控制芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６Ａ的運算能力很強，而且采樣精度高，功耗低，它的指令執行速度達４０ＭＩＰＳ，非常適合實時性要求較高的伺服控制系統。在該系統中，用它來實現的計算有Ｃｌａｒｋ變換、Ｐａｒｋ變換，以及完成電流環、速度環、位置環的檢測和故障保護等功能。

４．２軟件設計

單片機部分的編程要完成的主要功能包括?主程序模塊、鍵盤中斷模塊、定時模塊等。ＤＳＰ部分的主程序包括系統及外設初始化程序、坐標變換、ＰＷＭ信號產生、故障檢測及處理等。它的控制程序包括ＰＷＭ定時中斷程序、功率驅動保護程序、通訊中斷程序等。圖５給出了控制算法流程圖。

５結論

本文介紹的新型器件ＰＩＩＰＭ５０Ｐ１２Ｂ００４是專為伺服驅動的高性能要求而設計的，該模塊通過高效率、堅固耐用的設計可以提供非常精確的電流反饋環路，且噪音極低，其封裝尺寸比傳統設計小５０％。由于系統設計只需致力于控制策略和軟件開發，因此加快了產品的開發周期，同時也能夠輕易將產品升級，并有效簡化硬件設計，從而使系統的結構更加簡潔、緊湊。