实验讲义-电机控制综合实验.doc

电气控制综合实验实验指导书电气工程实验中心2009年9月目 录1.电机控制综合实验概述- 1 -1.1.课程基本信息- 1 -1.2.课程性质和任务- 1 -1.3.实验平台简介- 1 -2.电机控制理论- 4 -2.1 直流无刷电机（BLDC）- 4 -2.1.1.构造及工作原理- 4 -2.1.2.将BLDC电机与其他类型的电机作比较- 10 -2.1.3.BLDC电机的无传感器控制- 11 -2.2 交流感应电机（ACIM）- 13 -3.UPMPC平台概述- 15 -3.1.UPMPC电机控制和电源变换装置介绍- 15 -3.1.1.外观及接口- 15 -3.1.2.硬件规格- 16 -3.1.3.系统开发环境- 16 -3.1.4.UPMPC功能框图- 17 -3.2.UPMPC平台操作说明- 19 -3.2.1.UPMPC平台电源板操作说明- 19 -3.2.2.UPMPC平台控制板操作说明- 20 -4.硬件电路介绍- 22 -4.1.系统电路框图（SYS_BLOCK.SCH）- 22 -4.2.功能电路介绍- 23 -4.2.1.PowerInAuxPower.sch- 23 -4.2.2.DC-DC.sch- 23 -4.2.3.PFC.sch- 24 -4.2.4.PFC_Protection.sch- 25 -4.2.5.dsPIC.sch- 26 -4.2.6.IPM.sch- 28 -4.2.7.Gain_Ctr.sch- 30 -4.2.8.相电流调理电路- 32 -4.2.9.UART_COM.sch- 34 -5.电动机控制系统实验- 35 -5.1.实验1：基于霍尔位置传感器的BLDC电机控制- 35 -5.2.实验2：基于反电动势检测的无霍尔位置传感器BLDC电机的控制- 36 -5.3.实验3：基于霍尔位置传感器的PMSM电机控制- 38 -5.4.实验4：基于光电编码器的PMSM电机控制- 39 -5.5.实验5：无位置传感器PMSM电机的FOC控制- 40 -5.6.实验6：基于SVPWM的ACIM电动机的开环控制- 41 -5.7.实验7：基于光电编码器的ACIM电机的FOC控制- 42 -5.8.实验8：无位置传感器ACIM电机的FOC控制- 43 -5.9.实验9：步进电机的控制- 44 -5.10.实验10：步进电机的微步控制- 45 -参考文献- 46 -1. 电机控制综合实验概述1.1. 课程基本信息1. 课程代码： EE4012. 课程名称（中/英文）：电气控制综合实验/Integrated Experiment of Electric Control。3. 学时/学分：36/2。4. 先修课程：EE314电机学、EE303电力电子技术基础、EE307电机控制技术、EI105程序设计、EI212自动控制原理。5. 面向专业：电气工程系。6. 开课院（系）、实验室：电气工程实验中心。7. 教材、教学参考书：电气控制综合实验指导书，上海交通大学电气工程与自动化实验室自编。1.2. 课程性质和任务根据调查了解到，目前全国高校在电气控制方面都没有开设相应的比较系统的综合实验课程。然而，作为电气工程专业的本科生，掌握全面的电机拖动控制技术是今后就业及科研工作的重要基础。我们有必要使学生在学习期间全面了解该技术设计、开发、调试的过程及方法。电气控制综合实验内容主要包括电机拖动原理（交/直流、有/无传感器、保护/驱动）、软硬件方案设计、PCB制版、系统调试等内容，其中涉及了微控制器的应用，电源变换、电机拖动与控制原理的运用，电力电子器件的选取，电子电路设计，C语言程序设计，控制算法设计等多个方面的知识。1.3. 实验平台简介“基于PIC/dsPIC的电动机控制和电源变换通用开发平台”就是基于Microchip公司dsPIC30F4011芯片而开发的一款高性能电机控制实验开发平台，该平台是可供高校开设电机控制实验课程的一款实验开发平台。本实验平台以高性能16位数字信号控制器dsPIC30F4012为主控。该控制器是Microchip公司为了缩小单片机同DSP之间的性能差异，使客户能方便地将单片机的功能转移到DSP上，而推出的性价比介于16位单片机、32位单片机及DSP中低档机之间的dsPIC芯片系列中的一款。考虑到DSP和单片的内部区别，dsPIC器件将高性能16位单片机的控制特点和DSP高速运算的优点相结合，为嵌入式系统设计提供了适合的，单芯片、单指令流的解决方案。它消除了目前类似设计中所需求的额外组成部分，从而减小了印制板空间，也降低了系统成本 dsPIC30F高性能单片要同系列可以应用于非常广阔的范围。dsPIC30F4012带有2048字节的SRAM，1024字节的EEPROM，5个16位定时器/定时器，4路16位的输入捕捉，6通道的10位A/D，6路的电机控制PWM通道，1路UART，1路SPI，1路I2C,1路CAN。有关CPU、外设、寄存器说明和一般器件功能的更多信息，请参见dsPIC30F 系列参考手册（DS70046E_CN）。有关器件指令集和编程的更多信息，请参见dsPIC30F/33F 程序员参考手册（DS70157B_CN）。该平台具有以下特点：电动机控制类n 支持常见电动机的驱动 步进电动机SM 直流有刷电动机BDC 直流无刷电动机BLDC 单相/三相感应电动机ACIM 永磁同步电动机PMSMn 支持多种控制算法 基于位置传感器的速度、转矩、位置开环/闭环控制 基于电流/反电动势的无位置传感器闭环控制 磁场定向控制（FOC） 直接转矩控制（DSC）n 满足大部分的功率需求 小于2000W的电动机含盖了超过80的应用场合n 支持宽范围额定电压的多种电动机 直流12-400V、交流50-265V的工作电压范围攘括了大部分电动机n 具有一定的灵活性 支持不同工作电压（3. 3/5V）的单片机 支持不同管脚数及封装形式的单片机 额定功率易于升级n 保护功能完善 上电保护 输入过流/过压保护 输出过压过流保护 散热器过温保护 控制侧欠压保护 电源变换类n 升压式直流变换 电流型 电压型n 升压式功率因素校正 平均电流模式 DCM模式n 直流至交流变换 单相交流输出 三相交流输出2. 电机控制理论由于电机控制技术理论是大三学习的一门专业课程，控制理论部分可以参阅电机控制技术课程的各种教材，这里就不再重复罗列了，只以无刷直流电机BLDC及感应电机ACIM为例简单介绍。也可参阅Microchip公司各类应用笔记：AN857 轻松进行无刷直流电机控制AN899 使用PIC18FXX31控制无刷直流电机AN901 dsPIC30F在无传感器BLDC控制中的应用AN957 使用dsPIC30F2010控制带传感器的BLDC电机AN970 使用PIC18F2431控制无传感器的BLDC电机AN1017 采用dsPIC30F DSC进行PMSM的正弦控制AN1083 使用反电动势滤波进行无传感器BLDC控制AN1160 用择多函数实现反电动势滤波的无传感器BLDC 控制AN1162 交流感应电机（ACIM）的无传感器磁场定向控制（FOC）等。2.1 直流无刷电机（BLDC）2.1.1. 构造及工作原理BLDC 电机是同步电机中的一种。也就是说，定子产生的磁场与转子产生的磁场具有相同的频率。BLDC电机不会遇到感应电机中常见的“差频”问题。 BLDC 电机可配置为单相、两相和三相。定子绕组的数量与其类型对应。三相电机最受欢迎，使用最普遍。定子 BLDC 电机的定子由铸钢叠片组成，绕组置于沿内部圆周轴向开凿的槽中。定子与感应电机的定子十分相似，但绕组的分布方式不同。多数BLDC电机都有三个星型连接的定子绕组。这些绕组中的每一个都是由许多线圈相互连接组成的。在槽中放置一个或多个线圈，并使它们相互连接组成绕组。沿定子圆周分布这些绕组，以构成均匀分布的磁极。 有两种类型的定子绕组：梯形和正弦电机。以定子绕组中线圈的互连方式为依据来区分这两种电机，不同的连接方式会产生不同类型的反电动势（ElectromotiveForce，EMF）。正如它们的名称所示，梯形电机具有梯形的反电动势，正弦电机具有正弦形式的反电动势，如图2-1和图2-2所示。除了反电动势外，两类电机中的相电流也有梯形和正弦之分。这就使正弦电机输出的转矩比梯形电机平滑。但是，随之会带来额外的成本，这是因为正弦电机中线圈在定子圆周上的分布形式会使绕组之间有额外的互连，从而增加了耗铜量。 根据控制电源的输出能力，选择定子的额定电压合适的电机。48伏或更低额定电压的电机适用于汽车、机器人和小型机械臂运动等应用。100伏或更高额定电压的电机适用于家用电器、自动化和工业应用。图2-1 图2-2 反电动势转子 转子用永磁体制成，可有2到8对磁极，南磁极和北磁极交替排列。 要根据转子中需要的磁场密度选择制造转子的合适磁性材料。传统使用铁氧体来制造永磁体。随着技术的进步，稀土合金磁体正越来越受欢迎。铁氧体比较便宜，但缺点是给定体积的磁通密度低。相比之下，合金材料单位体积的磁场密度高，生成相同转矩所需的体积小。同时，这些合金磁体能改善体积与重量之比，比使用铁氧体磁芯的同体积电机产生的转矩更大。稀土合金磁体有钕（Nd）、钐钴（SmCo）以及钕铁硼铁氧体合金（NdFeB）等。进一步提高磁通密度，缩小转子体积的研究仍在持续进行中。霍尔传感器 和有刷直流电机不同，BLDC电机的换向是以电子方式控制的。要使BLDC电机转动，必须按一定的顺序给定子绕组通电。为了确定按照通电顺序哪一个绕组将得电，知道转子的位置很重要。转子的位置由定子中嵌入的霍尔效应传感器检测。多数BLDC电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器。每当转子磁极经过霍尔传感器附近时，它们便会发出一个高电平或低电平信号，表示北磁极或南磁极正经过该传感器。根据这三个霍尔传感器信号的组合，就能决定换向的精确顺序。霍尔效应原理：磁场会对位于其中的带电导体内运动的电荷载流子施加一个垂直于其运动方向的力，该力会使正负电荷分别积聚到导体的两侧。这在薄而平的导体中尤为明显。电荷在导体两侧的积累会平衡磁场的影响，在导体两侧建立稳定的电势差。产生这一电势差的过程就叫做霍尔效应，由E. H. Hall在1879年发现。霍尔传感器需要电源。电压范围可以是4伏到24伏。所需电流范围为5到15毫安。设计控制器时，请参见相应的电机技术规范，了解霍尔传感器所用的精确电压和电流范围。霍尔传感器的输出通常采用集电极开路类型。控制器端可能需要上拉电阻。工作原理 每次换向，都有一个绕组连到控制电源的正极（电流进入绕组），第二个绕组连到负极（电流从中流出），第三个处于失电状态。转矩是由定子线圈产生的磁场和永磁体之间的相互作用产生的。理想状态下，转矩峰值出现在两个磁场正交时，而在两磁场平行时最弱。为了保持电机转动，由定子绕组产生的磁场应不断变换位置，因为转子会向着与定子磁场平行的方向旋转。“六步换向”定义了给绕组加电的顺序。图2-3展示了霍尔传感器信号相对反电动势和相电流变化的示例。图2-4展示了按照霍尔传感器信号应遵循的切换顺序。图2-3上的序号对应于图2-4中所给的数字。 每转过60个电角度，其中一个霍尔传感器就会改变状态。因此，完成电周期需要六步。在同步模式下，每转过60个电角度相电流切换一次。但是，一个电周期可能并不对应于完整的转子机械转动周期。完成一圈机械转动要重复的电周期数取决于转子磁极的对数。每对转子磁极需要完成一个电周期。因此，电周期数/转数等于转子磁极对数。图2-5展示了用于控制BLDC电机的控制器的框图。Q0到Q5是PIC18FXX31单片机控制的功率开关。根据电机的电压和电流额定值，这些开关可以是MOSFET或IGBT，也可以是简单的双极性晶体管。表2-1和表2-2展示了根据霍尔传感器输入A、B和C切换这些功率开关的顺序。表2-1用于电机的顺时针转动，表2-2用于电机的逆时针转动。文中以彼此之间有60度相移的霍尔传感器信号为例。正如我们之前在“霍尔传感器”一节中讨论的，霍尔传感器彼此之间的相移可以是60或120。在选择控制特定电机的控制器时，应遵循电机制造商定义的顺序。参照图2-5，如果标有PWMx的信号根据该顺序在导通（ON）和关断（OFF）之间切换，则电机将以额定转速运行。这里假设直流母线电压等于电机额定电压加上开关两端的电压损耗。要改变转速，这些信号必须以远高于电机频率的频率进行脉宽调制（Pulse WidthModulated，PWM）。作为一条经验法则，PWM频率至少应该是电机最高频率的10倍。PWM的占空比在一次换向过程中变化时，提供给定子的平均电压降低，从而降低了转速。PWM的另一个好处是，如果直流母线电压比电机额定电压高得多，可通过限制PWM占空比对应于电机额定电压的百分比来控制电机。这就增加了灵活性，可使控制器能与具有不同额定电压的电机协同工作，通过控制PWM占空比使控制器的平均输出电压与电机额定电压匹配。图2-3： 霍尔传感器信号、反电动势、输出转矩和相电流图2-4：按照霍尔传感器的信号给绕组加电的顺序图2-5：控制框图表2-1 从非驱动端看过去，顺时针方向转动电机的顺序表2-2 从非驱动端看过去，逆时针方向转动电机的顺序转矩/转速特性图2-6展示了转矩/转速特性的示例。有两个转矩参数用于定义BLDC电机，峰值转矩（TP）和额定转矩（TR）。连续运转时，电机的负载会增加直到达到额定转矩。如前所述，在BLDC电机中，转矩在转速达到额定值之前都保持不变。电机运转可达到的最大转速是额定转速的150%，但从超过额定转速起转矩开始下降。 那种经常带负载起动、停止和反转的电机应用需要比额定转矩更大的转矩。需要大转矩的时间通常很短，尤其是在电机从静止状态起动以及加速时。在此期间，需要额外的转矩来克服负载和电机本身的惯性。电机只要按转速转矩曲线运转，就能提供更高的转矩，最高可达峰值转矩。要了解如何为某个应用选择这些参数，请参见“为应用选择合适的电机参数”一节。图2-6 转矩转速特性2.1.2. 将BLDC电机与其他类型的电机作比较 与有刷直流电机和感应电机相比，BLDC电机有许多优点，也有一些缺点。无刷电机需要的维护较少，因此和有刷直流电机相比寿命更长。与同体积的有刷直流电机和感应电机相比，BLDC电机能产生更大的输出功率。由于转子用永磁体制成，和其他类型的电机相比，转子惯性较小。这就改进了加速和减速特性，缩短了工作周期。其线性的转速/转矩特性有助于预测转速调节的结果。使用无刷电机就无需检修电刷。在维护困难的应用以及检修空间狭小的场合，无刷电机是理想的选择。BLDC电机运行时比有刷直流电机安静得多，并且减少了电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）。低电压型号对使用电池供电的应用、便携式设备或医疗应用很理想。表2-3对BLDC电机与有刷直流电机之间的比较进行了总结。表2-4比较了BLDC电机与感应电机。表2-3 BLDC与有刷直流电机比较表2-4 BLDC与交流感应电机比较2.1.3. BLDC电机的无传感器控制我们已经了解了根据霍尔传感器给出的转子位置进行换向的过程。BLDC电机还可通过监视反电动势信号，而不是霍尔传感器信号来换向。霍尔传感器信号和反电动势之间的关系（相对于相电压）如图2-3所示。正如我们在前面的小节中看到的，每次换向时都有一个绕组得正电，第二个得负电，第三个保持开路状态。如图2-3所示，霍尔传感器信号会在反电动势的电压极性从正变为负或从负变为正时改变状态。在理想情况下，这应在反电动势穿过零值时发生，但实际上由于绕组特性，会有延时。该延时应由单片机补偿。图2-7展示了BLDC电机无传感器控制的框图。要考虑的另一个方面是电机转速极慢的情况。由于反电动势与转子转速成正比，在极慢的转速下反电动势的幅值很低，很难检测到过零点。因此，当电机从静止状态起动时必须采用开环控制，待有足以检测到过零点的反电动势时，才转而采用反电动势检测控制。可检测到反电动势的最低转速可通过该电机的反电动势常数算出。用这种方法换向无需霍尔传感器，在某些电机中连霍尔传感器磁体也不需要了。这就简化了电机结构，同时节约了成本。如果电机在多灰尘或多油的环境中运行，需要不时清洁才能确保霍尔传感器检测正常，在这种情况下使用无传感器控制自然很有优势。电机安装在难以检修的位置时同样也是如此。图2-7 无传感器控制框图为应用选择合适的电机参数为给定应用选择正确的电机类型很重要。必须根据负载特性选择参数正确的电机。为给定应用选择电机要考虑三个参数。它们是： 该应用所需的峰值转矩 需要的RMS转矩 工作转速范围峰值转矩（TP）要求该应用所需的峰值（或者说最大值）转矩可以通过将负载转矩（TL）、惯性转矩（TJ）和克服摩擦所需的转矩（TF）相加得到。还有一些因素会对峰值转矩的总体要求有影响。例如，气隙中的空气电阻造成的风阻损失。考虑因素的具体影响是很复杂的。因此，经验告诉我们，计算转矩时要留出20%的安全裕度。惯性转矩（TJ）是将负载从静止加速，或者从低速加速到高速所需的转矩。这可以通过将包括转矩惯量在内的负载惯量和负载加速度相乘而算出。连接到电机轴上的机械系统决定了负载转矩和摩擦转矩。RMS转矩要求（TRMS）均方根（Root Mean Square，RMS）转矩可粗略地理解为该应用所需的平均连续转矩。这取决于许多因素。峰值转矩（TP）、负载转矩（TL）、惯性转矩（TJ）、摩擦转矩（TF）和加速、减速及起动次数。以下公式给出了典型应用所需的RMS转矩，其中TA是加速时间，TR是起动时间，而TD是减速时间。转速范围这里的转速指的是驱动应用所需的电机转速，由应用的类型决定。例如，像吹风机之类的应用，转速变化不太频繁，吹风机的最高转速可以是所需电机转速的平均值。但是在点对点定位系统（例如高精度传送带运动或机械臂运动）中，就要求电机的额定转速高于平均移动速度。较高的工作转速是梯形转速曲线的组成部分，使得电机的平均转速等于系统的移动速度。梯形曲线如图2-8所示。考虑到没有计算在内的各种因素，凭经验建议留有10%的安全裕度。图2-8 梯形转速曲线2.2 交流感应电机（ACIM）交流感应电机（AC Induction Motor，ACIM）是适应市场对电机低成本、易维护以及可靠的电机的需求而兴起的，并在行业中占据主导地位。需要使用感应电机驱动的典型应用有很多，从消费应用到汽车应用，涉及到多种功率等级和尺寸规格。如何实现高效率、低成本的感应电机驱动控制是一个备受关注的问题，而无传感器的磁场定向控制（FieldOriented Control，FOC）（也称为矢量控制）为其提供了最佳解决方案。“无传感器”这一术语并非表明省却全部的传感器，只是与同类型磁场定向控制的其他驱动进行比较，它指的是缺少速度和/或位置传感器。该特征降低了驱动系统的成本，这也是业界一直所期望的，但这并不是使用这种控制方法的唯一原因，因为有些应用对体积有要求，有些应用缺少用来将传感器或器件安装在轴上时所需的额外电缆（由于高温、腐蚀性接触等恶劣环境），这些应用场合中可使用这种方法。由于交流感应电机（ACIM）具有结构简单以及耐久性强的特点，是工业和民用电机应用中的主要设备。这种电机不存在电刷磨损或由于使用磁钢而导致成本增加的问题。转子采用简单的钢质鼠笼结构。图2-9为交流感应电机（ACIM）的无传感器磁场定向控制（FOC）框图。由于交流感应电机控制方法比较复杂，请参见应用笔记AN1162及其他相关应用笔记与书籍，在这里就不做详细说明了。图2-9 ACIM的无传感器磁场定向控制（FOC）3. UPMPC平台概述3.1. UPMPC电机控制和电源变换装置介绍3.1.1. 外观及接口UPMPC平台外观及外部接口如图3-1。图3-1 UPMPC平台外观及外部接口图3-1中所示的UPMPC平台外观及外部接口说明如下。1外部电源输入，直流或交流电压输入。2机械式电位器，隔离式把柄。3调试编程口。4电机转子位置传感器信号接口，霍尔信号或光编码器信号。5计算机串口通讯，隔离式。6RTDM通讯接口，非隔离式。7三相电机接口。8散热铝基板，注意接地良好。9 亚克力外壳，透明。3.1.2. 硬件规格硬件规格参数： 供电电压：AC 50-265V，50/60HZ；DC 12-400V 额定功率：2000KW 额定电流： 12A（有效值） 保护：n IPM过流、过温保护n IPM欠压保护n 上电保护n 直流输入侧过电流保护n 直流母线侧的过电压保护 功率因素校正：2000KW3.1.3. 系统开发环境系统开发环境框图见图3-2。图 31系统开发环境框图UPMPC仿真器/调试器PC机（ 辅助工具+ MPLAB + C30 ）RS232/USBRS232RJ45/ADAPTOR电气隔离交流输入直流电源（12-400V）电机系统开发环境框图简介：UPMPC：基于PIC/dsPIC的电机控制和电源变换通用开发平台（PIC/dsPIC based Universal Platform for Motor control and Power Conversion）；仿真器/调试器：MICROCHIP公司的ICD2在线调试器或Real ICE等；PC机：调试仿真终端；PC机上应安装MPLAB IDE 8.14以上版本，C30 3.0以上版本；辅助工具：RTDM/DMCI：用于调试及观察电机运行状态；电机：目标控制对象；MPLAB IDE，C30及RTDM/DMCI的使用方法不属于本笔记介绍的范畴。请查阅相关资料。3.1.4. UPMPC功能框图UPMPC功能框图见图3-3。图 32 UPMPC功能框图 PIC/dsPIC电流/电压检测及保护电机IPMLED/Key调试端口PFC开关电源反电动势检测电源输入通讯辅助电路电机电流检测电机位置传感器图3-4-1：UPMPC功能框图注：图3-3虚框内部分不属于目标板板上的功能。功能框图说明电流/电压检测及保护电流、电压检测 提供电机侧、PFC侧的电流检测功能。 提供直流母线电压的检测功能 提供直流/交流输入电压的检测功能电流/电压保护 上电时的冲击电流抑制。 智能功率模块自带的电流、电压保护。 PFC侧的过电流、直流母线过电压保护。LED/Key 一个LED指示灯 一个按键PC机通讯 采用UART半双工方式，串口馈电，电气隔离，最大比特率9600Bps。 通讯协议附件F开关电源模块 宽输入电压：AC 50-265V，50/60HZ；DC 12-400V 输出：15V150mA，3.3/5V200mA功率因数校正PFC 整流电路：交直流转换，直流极性变换，并提供交流电压过零信号 目标功率2000WAC220V，PF大于98%，目标效率大于85%。 PWM载波频率为64KHz。智能功率模块IPM 集成驱动与三相全桥逆变 保护：电机侧过电流，欠压，过温保护电机侧电流检测 电机相电流采样与调理 电机总电流采样与调理反电动势检测 电机相电压采样与调理其它功能 电机位置传感器：霍尔，光电编码盘或其它 编程调试接口3.2. UPMPC平台操作说明3.2.1. UPMPC平台电源板操作说明UPMPC平台电源板操作说明见图3-4。1 93876254图3-4中所示的电源板说明如下。1外部电源输入JP6，直流或交流电压输入。2电源板与控制板的控制信号连接线缆。3控制信号连接线缆插座JP5，注意连接线缆的连接紧密，不要松动。4电源板与控制板的电源连接线缆，注意极性。5电源板与控制板的电源连接线缆端子JP1，JP2。6故障保护功能设定开关J1，J2。7故障保护解除按键S3。8电源指示灯LED6。9故障保护状态指示灯LED3，LED4，LED5。3.2.2. UPMPC平台控制板操作说明UPMPC平台控制板操作说明见图3-5。18171916151471312111098654321图3-5中所示的控制板说明如下:1反馈信号接驳座JP205，JP208，JP210。2功能键S200。3指示灯LED205。4旋转式电位器VR1，VR2。5调试与编程口J210。6电机转子位置传感器信号接口J211，霍尔信号或光编码器信号。7计算机串口通讯J204，隔离式。8RTDM通讯接口J203，非隔离式。9电流调理电路增益设定开关J202，J205。10相电压调理电路衰减率设定开关J200。11PIM插座JP206，JP207。12相电流取样电阻R232，R233。13总电流取样电阻R231。14三相电机接口JP201，JP202，JP203。15相电压调理电路状态指示LED200，LED201。16电流调理电路状态指示LED202，LED203，LED204。17主控制芯片U207。18智能功率模块U214。19系统复位键S201。4. 硬件电路介绍4.1. 系统电路框图（SYS_BLOCK.SCH）图 41系统电路框图如图4-1所示，UPMPC硬件主要由下面几个功能电路组成。主控电路：基于Microchip 的8位PIC或16位dsPIC电机控制系列微控制器的单片机及其附属电路。人机接口电路: 提供通讯，按键及指示等功能。反电动势调理电路：电动机相电压取样及调理电路。三相全桥逆变电路：三相全桥逆变电路。电源滤波电路：EMI/EMC电磁兼容调理电路。辅助电源电路：提供控制电压及驱动电压。功率因素校正电路：有源功率因数校正功能。结构上，UPMPC被分为两部分：控制部分（主控电路，人机接口电路，反电动势调理电路，三相全桥逆变电路等）和电源部分（电源滤波电路，辅助电源电路，功率因素校正电路等）。4.2. 功能电路介绍4.2.1. PowerInAuxPower.schX2电容C41，C23；Y2电容C43，C44， C27，C28与共模电感L5一起构成了EMI滤波电路。NTC电阻R114，PTC电阻R7，以及常开型继电器K1，Q7一起构成了上电保护电路，R114，R7一起使用扩展了适用电压范围。K1的额定电压为12V，所以需要R90，R91限流。R60-63，U11，U12，R94，组成了交流电压过零检测电路，为了使该电路输出更接近数字化，此处选择了高电流传输比的光耦EL817D；C58，C59用于滤除噪音。快熔断型保险丝F1，F2用于保护后级电路；压敏电阻R52与F1，F2一起构成了过压保护电路。对直流输入而言，交流电压过零检测电路不再有效。交流电压过零检测电路的输出TP11与交流输入电压的时序见图4-2。图 42电压过零信号时序辅助电源为单路输出，最大输出功率为15V/250Ma，其核心是离线式开关电源芯片U7(Viper22A)。Viper22A最显著的特点是宽输入电压范围(40-400V)；D3,D4提供两路电压选择：DCDCOUT ( 50V )及PFC_H ( 50V )；C40，C45，L8组成了型滤波器；初级侧，R64，C46，D18组成了RCD缓冲吸收电路，用于保护U7不被击穿；次级侧为单路15V 输出，用于控制继电器，功率开关管及智能功率模块；R99，R95用于设定次级侧电压，并提供开关电源最小负载；C37，C39用于平滑15V输出，共模电感L6用于抑制共模噪音。考虑到效率及散热，模拟及数字电路所需的工作电压（5V或3.3V）来自于U13（NCP3063）。相对于传统的线性稳压器LDO而言，基于U13的降压式DC2DC开关电源具有效率高，散热少等优点。U13的输出，5V或3.3V，被分离为模拟和数字，有利于提高模拟侧信号的质量。5V或3.3V的设定来自于R53。LED6用于指示电源是否正常。4.2.2. DC-DC.sch本部分电路是专为该平台设计的，对于某一特定应用而言，此电路不具参考意义。为突出重点。此处以框图说明来替代基于元器件的工作原理说明。本部分电路的功能，如下图图4-3所示的黑盒子。图 43 黑盒子其中，DCIN 来自插座JP6，外部输入可以是交流或直流。从黑盒子的角度来看，我们只关心输入及输出。黑盒子的直流输入来自二极管D5，电压范围是9-400V。当直流输入电压大于45V时，黑盒子输出电压为0V；当直流输入电压大于9V且小于45V时，黑盒子输出电压为48V；当直流输入电压小于9V时，黑盒子输出电压为不定；4.2.3. PFC.schR57，R58，R96，C60，用于取样极性调理后的交流电压，D14用于钳位电压不超过3.3V。需要注意的是，采样后信号的参考点与系统的参考点不一样，所以需要通过以U3（MCP6021）为核心的差分电路将参考点统一到系统的参考点。由于调理的对象是交流输入电压，所以此处对带宽的要求不是太高。R4，C6，Q1，R2组成了另一种形式的电压过零检测电路。可以通过选装R5或R93来选择相应的电压过零信号。作为缺省，选装R5。L7，Q2，D2，组成了一个典型的升压式电路。C2-C4用于平滑电压输出。作为PFC电路的核心元件，PFC主电感L7，功率开关管Q2，升压二极管D2，平滑电容C2-4的选择至关重要。它们的参数设定及选型选择方法可参考2.4章节的相应内容；L9的引入是为了减小杂散电容的影响；R73，R72，Q6，R74通过将5V/3.3V的驱动电平变换至15V，提升驱动的可靠性。MOSFET驱动芯片U9（TC4421），具有宽电压（4. 5V-18V），大电流（9A）开关速度快，低延时（30ns）等特点，是驱动PFC功率开关管的理想器件。R59用于钳位驱动电流，R78用于保证驱动的可靠性，同时抑制栅极的浪涌电压，并提供放电回路，D9则是有助于加快开关速度。R84-R86，D11，C13组成一典型的RCD缓冲吸收电路，用于保护Q2不被浪涌电压击穿；双管结构的升压二极管D2可以显著改善EMI特性，它同时具有软开关及恢复速度快等特点。 PFC的电流检测级调理是基于运算放大器U1（MCP6021）的差分放大电路。由于调理对象是交流输入电流，当采用平均电流模式的PFC控制方法时，对带宽并无特别的要求，大于5Khz即可符合应用需求。UPMPC控制部分和电源部分的接口有JP5来完成。JP5的管脚定义如下表：Pin NumNameDirDescription1DVddOUTPUTPositive Power for digital section2VOL_CON1INPUT3.3/5V switch3AVddOUTPUTPositive Power for analog section4VAC_VOL1OUTPUTAC voltage5AGNDOUTPUTNegative Power for analog section6PFC_CUR1OUTPUTPFC current7FLT_SYS1OUTPUTPower Board fault signal8ZERO_CROSSING1OUTPUTAC voltage zero crossing signal9,11DGNDOUTPUTNegative Power for digital section10PFC_PWM1INPUTPWM for PFC control signal12FLT_IPM1INPUTControl board fault signal13+15VOUTPUT+15V14PTC_CTR1INPUTRelayer control signal图 44 JP5管脚定义4.2.4. PFC_Protection.schPFC侧的保护功能包括直流母线过电压，交流输入过电流保护；另外包括来自控制板侧的IPM模块保护。当其中任意一种保护事件出现时，无须应用软件干预，能生成系统保护信号，并禁止PFC功率开关管的工作。该电路的核心是U10（PIC16F610）及其附属电路。这么做的原因是当应用软件处于调试状态下，程序暂停时，但相应PFC驱动用PWM端口的状态是不定的，对功率板而言，这种不定状态可能会带来不可恢复的损害：当PWM端口处于高电平时，相当于将输入电源与地直接短接，导致功率开关管过电流而永久性损害。直流母线过电压信号（低有效）来自比较器U4（MCP6541）及其附属电路R38，R39，R47，R46，C24；R47用于提供滞洄电压，防止比较器在阈值附近频繁翻转；R46，C24组成了简单的低通滤波器，用以消除噪音干扰。直流母线电压的取样电路由R87-R89，C57组成。交流过电流信号（低有效）来自比较器U5（MCP6541）及其附属电路R40，R41，R49，R48，C26；R49用于提供滞洄电压，防止比较器在阈值附近频繁翻转；R48，C26组成了简单的低通滤波器，用以消除噪音干扰。比较器U4，U5阈值由电压基准源U2（MAX6160）及其附属电路提供；U4的阈值为1.5V，即当直流母线电压大于410V时，U4的输出翻转。U5的阈值为2.9V，即当交流输入电流峰值大于25A 时，U5的输出翻转。此处阈值的设定用电压基准源代替简单的电阻分压法的原因是本电路的供电电压有可能是5V，也有可能是3.3V，但对保护而言，希望能在统一的阈值上输出保护信号。LED1，LED2用于指示运行状态，当处于系统保护状态时，按键S3用于解除保护状态。J1，J2用于设定哪种保护状态会产生系统永久保护，LED3，LED4，LED5用于指示设定状态，并指示何种保护状态发生。详细内容可参考用户指南。注意，保护设定只在上电复位时起作用。该部分电路的工作时序见图4-5。图 45 PWM及保护时序当系统一切正常时，PFC_PWM1信号会透明地传输至 PFC_PWM1_OUT。4.2.5. dsPIC.sch该部分电路是整个UPMPC平台的核心。原始设计上，它是基于电机控制芯片dsPIC30F4012的。但通过PIM（plug-in-module），该平台可以支持其它不同封装及不同工作电压的电机控制系列PIC或dsPIC单片机。其管脚功能定义如下表：Pin No.Chip functionI/O TYPEACTIVEDEFAULTBoard function1MCLRILHMCLR2AN0/RB0configurableconfigurableconfigurableconfigurable3AN1/RB1configurableconfigurableconfigurableconfigurable4AN2/RB2configurableconfigurableconfigurableconfigurable5AN3/RB3configurableconfigurableconfigurableconfigurable6AN4/RB4configurableconfigurableconfigurableconfigurable7AN5/RB5configurableconfigurableconfigurableconfigurable9OSC1OSC1OSC1OSC1OSC110OSC2OSC2OSC2OSC2OSC213,20VDDVDDVDDVDDDVdd8,19VSSVSSVSSVSSDGND11U1ATX/RC13OXHHOST_TX12U1ARX/RC14IXHHOST_RX14OC2/RD1OHLPFC_PWM15OC1/RD0OHLPTC_CTR16FTLA/RE8ILHFLT_SYS17PGD/RF3I/OXXPGD18PGC/RF2IXXPGC21PWM3H/RE5OHHPWM3H22PWM3L/RE4OHHPWM3L23PWM2H/RE3OHHPWM2H24PWM2L/RE2OHHPWM2L25PWM1H/RE1OHHPWM1H26PWM1L/RE0OHHPWM1L27AVSSAVSSAVSSAVSSAVdd28AVDDAVDDAVDDAVDDAGND图 46 U207管脚定义R303，R308，R307，C264，S201组成单片机复位电路，当然如果程序中配置了内部复位功能，该部分电路可以省略。R296，R302，C263，S200组成按键电路，其功能完全由软件配置；需要注意的是该功能键与由R216，LED205组成的指示电路共用一个单片机端口，软件制作上应特别注意。R306，R230，C266组成了简单的电位器电路，该电位器的输出可以由软件定义为参考速度，参考转矩或其它。当然，它必须要配置到单片机的模拟端口。R312，R2229，C265组成了简单的电位器电路，该电位器的输出可以由软件定义为参考速度，参考转矩或其它。当然，它也必须要配置到单片机的模拟端口。UPMPC控制部分和电源部分的接口有JP9来完成。JP9的管脚定义可参考表4-4。从表4-6可以看到，单片机U207的第二至第七管脚功能未被定义，这样做的原因是，从电机控制的角度来看，依据不同的电机及其控制方法，所需的反馈信号的类型（电压，电流，位置等）及特征（模拟，数字）多不尽相同。所以说是要将这些信号全部配置到一个较大管脚资源的单片机上，还是通过一种简单的方法可以实现电机机算法到管脚功能的一一对应方案，是值得权衡的一件事。既然该平台只可以同时驱动一种电机，那么从灵活性上来讲，通过简单的配置（跳线）来适应不同种类的电机及不同的控制算法应是一种不错的选择。显而易见，设计变得简洁了。见图表4-7Signal NameDigital or Analog?Input or Output?Pin No.Possible FunctionU_SHUNTAnalogInput2Analog/RBV_SHUNTAnalogInput3Analog/RBDCBUS_VOLAnalogInput4Analog/RBPFC_CURAnalogInput5Analog/RB/QEIVAC_VOLAnalogInput6Analog/RB/QEAUVW_SHUNTAnalogInput7Analog/RB/QEBZERO_CROSSINGDigitalInputVR1AnalogInputVR2AnalogInputLED1/KEYDigitalInput/OutputHALLA/QEIDigitalInputHALLB/QEADigitalInputHALLC/QEBDigitalInputU_BEMFAnalogInputV_BEMFAnalogInputW_BEMFAnalogInput图 47模拟数字管脚配置表图表4-7中，VR1，VR2可转意为参考速度，参考转矩或其它物理量或电参量。由上表可以看出，我们可以将任意一种电机控制算法所需的模拟或数字信号接驳到插座JP210。对于某些特殊的要求，我们还可以通过PIM 来扩展所需信号的数量。4.2.6. IPM.sch该部分电路的核心是集成功率模块IPM（FSBB20CH60F）及其附属电路。FSBB20CH60F是一款耐压为60