CN103248293A

CN103248293A - 基于tms320f2812的直流无刷电机调速控制器

Info

Publication number: CN103248293A
Application number: CN2013101561808A
Authority: CN
Inventors: 吴爱国; 王硕; 刘玉明
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-04-28
Filing date: 2013-04-28
Publication date: 2013-08-14

Abstract

一种基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，有通过传感器与桥式整流滤波电路连接的由自上层到下层依次插针结构相连的作为控制板的中央处理单元、作为调理板的信号调理电路和作为驱动板的三相逆变桥模块共同构成用于驱动直流无刷电机的直流无刷电机调速控制器，以及向中央处理单元和信号调理电路提供电源的供电电源，传感器是分别连接中央处理单元的电流传感器和电压传感器。本发明采用分层电路的设计方式，自下而上，分为三个电路板，下层为主电路逆变模块驱动板，中层为信号调理板，上层为核心控制板，结构简易，可靠性高，并且更换容易，具有较强的通用性。本发明可以同时实现反电动势过零比较无位置传感器换向和霍尔位置信号换向。

Description

基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器

技术领域

本发明涉及一种直流无刷电动机。特别是涉及一种具有较强通用性的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器。

背景技术

随着我国工业的快速发展，直流无刷电机在汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等有了较快的较为广泛的应用，无刷直流电机较之传统的直流电机省去了机械的电刷装置，而采用电子换向代替电刷装置，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了约6倍，在性能上比直流电机有了无法比拟的飞跃，是当今最理想的调速电机。新型的直流无刷电机的控制系统是涉及电力电子技术，电机学，自动控制，材料科学等等学科的融合，随着功率开关，微处理器技术，以及先进控制理论的发展，这无疑使得直流无刷电机正在向着集成化、智能化、高效化、节能化发展。直流无刷电机的运行又离不开其专用驱动器，直流无刷电机的调速装置是将主要起到对电机转速的控制，过流、过压、过热保护，具备很宽的调速范围，其市场规模将伴随直流无刷电机产业的推广而同步扩张。

现阶段的直流无刷电机调速控制器已有多种形式，就目前而言，最初的模拟电路组成的控制器已经由数字芯片替代，智能功率模块（IPM）的诞生，把功率开关器件和驱动电路集成在一起，给无刷直流电机调速装置设计带来了极大的便利，而智能功率模块的结构内置保护电路，保护电机不被烧坏，而现代控制理论的发展，对于转速的控制精度，转矩更高的动态响应和稳定性也有了更高的要求。目前，直流无刷电机调速器大多调速范围不宽，精度不高，体积较大，而且针对特定型号的电机，传统直流无刷电机含有霍尔位置传感器，作为换向信息提供给电机，霍尔传感器增加了电机成本，和电机尺寸，新型直流无刷电机的控制器是采用无位置传感器控制技术发展而来的。

所以，设计一款结构简洁、集成度较高、高可靠性，高精度的直流无刷电机调速控制器是有意义的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种不需位置传感器和霍尔换向，能够精确控制电机不同转速的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器。

本发明所采用的技术方案是：一种基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，包括有桥式整流滤波电路，还设置有通过传感器与所述的桥式整流滤波电路连接的由自上层到下层依次插针结构相连的作为控制板的中央处理单元、作为调理板的信号调理电路和作为驱动板的三相逆变桥模块共同构成用于驱动直流无刷电机的直流无刷电机调速控制器，以及向中央处理单元和信号调理电路提供电源的供电电源，所述的传感器是分别连接中央处理单元的电流传感器和电压传感器。

所述的中央处理单元包括有中央处理器芯片，分别连接中央处理器芯片的信号输入端的光耦隔离电路、硬件过流保护电路、调整电路和通过AD采样电路连接三相逆变桥模块输出的三相驱动电压的磁耦隔离电路，分别连接中央处理器芯片的信号输出端的电平转换电路、JTAG仿真接口和按键与LED电路，所述的电平转换电路的输出连接信号调理电路，所述的中央处理器芯片的电源输入端通过主控电源连接供电电源，所述的中央处理器芯片的信号输入端还连接直流无刷电机的输出的三相霍尔信号，以及连接信号调理电路输出的USO、VSO和WSO信号。

所述的调整电路包括有连接电流传感器信号输出端的电流传感器电路，连接电压传感器信号输出端的电压传感器电路，以及连接三相逆变桥模块的温度传感器电路。

所述的电压传感器电路包括有运算放大芯片F1，所述运算放大芯片F1的同相输入端通过电阻R60连接电压传感器的信号输出端，该同相输入端还分别通过电容C52接地，以及依次通过电阻R60和电阻R59接地，运算放大芯片F1的输出端通过电阻R94分别连接运算放大芯片F1的反相输入端、通过电容C80接地、通过稳压管D3接地、通过稳压管D3接3.3V电源以及连接中央处理器芯片。

所述的电流传感器电路包括有运算放大芯片F2，所述运算放大芯片F2的同相输入端通过电阻R58连接电流传感器的信号输出端，该同相输入端还分别通过电容C50接地，以及依次通过电阻R58和电阻R57接地，运算放大芯片F2的输出端通过电阻R95分别连接运算放大芯片F2的反相输入端、通过电容C81接地、通过稳压管D5接地、通过稳压管D4接3.3V电源以及连接中央处理器芯片。

所述的温度传感器电路包括有运算放大芯片F3，所述运算放大芯片F3的同相输入端通过电阻R62连接设置在三相逆变桥模块中的电阻RT1，该同相输入端还分别通过电容C53接地，依次通过电阻R62和电阻R61接5V电源，运算放大芯片F3的输出端通过电阻R96分别连接运算放大芯片F3的反相输入端、通过电容C82接地、通过稳压管D7接地、通过稳压管D6接3.3V电源以及连接中央处理器芯片。

所述的硬件过流保护电路包括有运算放大芯F4，所述运算放大芯F4的反相输入端通过电阻R58连接电流传感器的信号输出端（A），该反相输入端还分别通过电容C50接地、通过电容C48接地以及依次通过电阻R58和电阻R57接地，所述运算放大芯F4的同相输入端连接电器R61的可调端，电器R61的一端连接3.3V电源，另一端接地，所述运算放大芯F4的输出端分别通过电阻R99连接3.3V电源，通过电阻R100接中央处理器芯片，所述运算放大芯F4的8脚分别连接3.3V电源和通过电容C56接地。

所述的信号调理电路包括有三个结构相同的IGBT驱动内核，和一个反电动势过零比较电路，所述的反电动势过零比较电路的信号输入端连接三相逆变桥模块输出的驱动直流无刷电机的驱动信号，反电动势过零比较电路的信号输出端连接中央处理单元的信号输入端，所述的三个结构相同的IGBT驱动内核的输入端对应连接中央处理单元的信号输出端，三个结构相同的IGBT驱动内核的输出端分别连接三相逆变桥模块，所述三个结构相同的IGBT驱动内核对应输出的USO、VSO和WSO信号连接中央处理单元的信号输入端。

所述的反电动势过零比较电路包括有三组结构相同分别对应接收三相逆变桥模块输出的三路驱动信号的电路，其中任一组电路均包括有：相串联的6个电阻R61/R67/R79、R62/R68/R76、R63/R69/R77、R64/R70/R80、R65R71/R81、R91/R72/R82，相串联的6个电阻的输入端连接三路驱动信号中的一路信号，相串联的6个电阻的输出端连接一个运算放大器U5A/U5B/U5C的反相输入端，该反相输入端通过一个二极管接电源VCC，所述的运算放大器U5A/U5B/U5C的同相输入端通过一个电阻R74/R78/R75连接运算放大器U5A/U5B/U5C的反相输入端，所述运算放大器U5A/U5B/U5C的输出端通过中央处理单元中的光耦隔离电路连接中央处理器芯片，三组电路中的三个运算放大器U5A、U5B、U5C的同相输入端相互连接，所述的相串联的6个电阻的输出端还分别通过一个电阻和一个电容接地。

所述的IGBT驱动内核包括有驱动芯片U1，所述的驱动芯片U1的1脚通过一电感接15V电源，还分别通过5个电容接地，驱动芯片U1的1脚还依次通过一个电阻RSO2与一个反向二极管D2的串联输出信号USO/VSO/WSO连接中央处理单元的信号输入端，所述的驱动芯片U1的2脚通过一个电阻R3连接电平转换电路的输出端UINB/VINB/WINB，该2脚还分别通过一个电阻R9和一个电容C9接地，3脚通过一个电阻R4连接电平转换电路的输出端UINA/VINA/WINA，4脚通过一个电阻接地，5脚和6脚共同通过反向二极管D2输出信号USO/VSO/WSO连接中央处理单元的信号输入端，7脚通过一个电阻接地，8脚接地，9脚通过一个电阻和一个电容的串联后与10脚共同再分别通过一个电阻R15和一个二极管D5串联后与11脚一起分别通过两个电阻的并联到输出端G1连接三相逆变桥模块，以及通过6个电阻的依次串联接至输出端VC接三相逆变桥模块，驱动芯片U1的12脚通过一个电阻到输出端G1连接三相逆变桥模块，13脚直接到输出端VE1连接三相逆变桥模块，该13脚还通过一个稳压二极管到输出端G1连接三相逆变桥模块，14脚通过一个电阻和一个电容的串联后与15脚共同再分别通过一个电阻R22和一个二极管D8串联后与16脚一起分别通过两个电阻的并联到输出端G4连接三相逆变桥模块，以及通过6个电阻的依次串联接至输出端VE1连接三相逆变桥模块，驱动芯片U1的17脚通过一个电阻到输出端G4连接三相逆变桥模块，18脚直接接地，该18脚还通过一个稳压二极管到输出端G4连接三相逆变桥模块。

本发明的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，解决了现有电机控制器体积较大，转速精度不高等不足，本发明的主电路由220V工频交流电整流提供，本发明采用分层电路的设计方式，自下而上，分为三个电路板，下层为主电路逆变模块驱动板，中层为信号调理板，上层为核心控制板，结构简易，可靠性高，并且更换容易，具有较强的通用性。本发明可以同时实现反电动势过零比较无位置传感器换向和霍尔位置信号换向。

附图说明

图1是直流无刷电机调速控制器的硬件结构图；

图2是直流无刷电机调速控制器的系统线路连接图；

图3是图1、图2中桥式整流滤波电路的电路图；

图4是图1、图2中三相逆变桥模块内部电路图；

图5是图1、图2中中央处理器芯片控制板；

图6是图5中主控电源的电路原理图；

图7是图5中电压传感器的电路原理图；

图8是图5中电流传感器的电路原理图；

图9是图5中温度传感器的电路原理图；

图10是图5中硬件过流保护电路的电路原理图；

图11是图1、图2中反电动势过零比较电路的电路原理图；

图12是图1、图2中驱动内核模块电路原理图；

图中

1：桥式整流滤波电路 2：三相逆变桥模块

3：中央处理单元 4：信号调理电路板

5：直流无刷电机 6：外接的电源模块

7：电流传感器 8：电压传感器

11：可调变压器 12：桥式整流电路

31：中央处理器芯片 32：光耦隔离电路

33：硬件过流保护电路 34：调整电路

35：主控电源 36：电平转换电路

37：按键与LED电路 38：JTAG仿真接口

39：AD采样电路 410：磁耦隔离电路

41：反电动势过零比较电路 42：IGBT驱动内核

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器做出详细说明。

本发明的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，旨在设计一款结构简洁、集成度高、更换方便的直流无刷电机调速器。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：分层结构的直流无刷电机调速控制器，逆变桥模块和调理板直接焊接，缩短了信号的传输距离，有利于提高PWM的精度。自下而上包括，下层三相逆变桥驱动板，中层信号调理板，上层中央控制板。三层电路板由插针上下相接，减少走线的长度，有助于降低分布电容对高频信号的影响。调速器运行全过程可以简述如下：中央控制器通过对外产生6路可编程调节占空比的PWM（脉冲宽度调制）信号，6路PWM信号驱动6个IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的通断，六个IGBT构成逆变桥式电路，连接至直流无刷电机，直流无刷电机内置的霍尔信号经过调理电路进入控制芯片可以用于计算电机转速，构成转速闭环，整流后的直流母线电流传感器和电压传感器进入主控芯片中央控制器得到直流母线的电压信号和电流信号，电流信号构成电流闭环。中央控制器通过调节PWM占空比来实现对直流无刷电机的转速控制，中央控制器通过捕捉得到的霍尔位置信号或者位置过零信号来实现对电机的换向。

如图1、图2所示，本发明的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，包括有桥式整流滤波电路1，还设置有通过传感器与所述的桥式整流滤波电路1连接的由自上层到下层依次插针结构相连的作为控制板的中央处理单元3、作为调理板的信号调理电路4和作为驱动板三相逆变桥模块2共同构成的用于驱动直流无刷电机5的直流无刷电机调速控制器，以及向中央处理单元3和信号调理电路4提供电源的供电电源6，所述的传感器是分别连接中央处理单元3的电流传感器7和电压传感器8。

本发明的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，桥式整流滤波电路1的输入由工频220V交流电提供电源，输出的直流电经过滤波连接至下层三相逆变桥模块2的母线部分，所述的三相逆变桥模块2的输出三相连接至直流无刷电机5，所述的三相逆变桥模块2通过插针引出IGBT门级、集电极、发射极连接至信号调理电路4驱动内核的输出，每个桥臂由一个驱动内核单独控制，所述的直流无刷电机5的三相霍尔传感器信号输出连接至上层中央处理单元3的捕获输入，所述的直流无刷电机5的搭建的中层信号调理板三相反电动势过零信号作为输出连接至上层中央处理单元3的捕获端，所述的上层中央处理单元3的6路PWM输出信号连接至中层信号调理电路4的42部件驱动内核上。所述的桥式整流滤波电路1的输出连接了电流传感器7和电压传感器8的输入，所述的电流传感器7和电压传感器8连接至上层中央处理单元3的输入，所述的中层信号调理电路4和所述的中央处理单元3的供电由外接供电电源6提供。

如图3所示，所述的桥式整流滤波电路1是由可调变压器11和与可调变压器11相连的桥式整流电路12构成，其中，所述的可调变压器11的输入端连接220V电源，所述的桥式整流电路12的输出分别连接电流传感器7和电压传感器8以及三相逆变桥模块2，所述的桥式整流电路12具有桥式整流121和滤波电路122两部分。首先单相220V交流电经过可调变压器11变换出可调的交流电压，经过桥式整流121和滤波电路122输出脉动的直流电，直流电接入下层逆三相逆变桥模块2采用电压源型逆变，因此脉动的直流电源不能作为逆变电路的电源，需经过滤波成平稳的直流电源，滤波电路采用大电容均压滤波的方式滤除脉动成分，同时可实现功率交换作用，如图3所示，电容参数为5600μF/450V，均压电阻参数为20W/47K，通过设计可使得滤波电路实现耐压900V容量为5600μF的性能。调压器采用三相交流调压器

其最大通量为15KVA，最大流通电流60A。整流电路采用单相桥式不可控整流模块MDQ100A，其反向耐压可达2000V，最大输出电流100A，可满足系统供电要求。

如图4所示，所述的三相逆变桥模块2是采用三菱的IGBT模块型号为FS200R12PT4，其内部为三相全控桥结构，DIP封装，可直接焊接至驱动电路板，大大减少了驱动连接线的长度，降低了驱动信号的传输干扰，模块内置负温度系数测温电阻，可实时测量模块内部的温度，减小了模块热损坏的几率，其最大输出电流可达200A，耐压可达1200V，在一定的开通、关断电阻下其导通时间小于0.2us，关断时间小于0.5us，完全可以满足系统对逆变模块的功率及快速性要求。逆变桥模块分为三个桥臂，每个桥臂由两个IGBT上下相连，每个IGBT的门级、集电极、发射极由插针引出，可以直接驱动IGBT的通断，薄膜电容采用紧贴逆变桥的设计，可以再电压变化剧烈的场合，可以提供瞬时大电流，且损耗仅为铝电解电容的1%。

如图5所示，所述的中央处理单元3包括有中央处理器芯片31，分别连接中央处理器芯片31的信号输入端的光耦隔离电路32、硬件过流保护电路33、调整电路34和通过AD采样电路39连接三相逆变桥模块2输出的三相驱动电压的磁耦隔离电路310，分别连接中央处理器芯片31的信号输出端的电平转换电路36、JTAG仿真接口38和按键与LED电路37，所述的电平转换电路36的输出连接信号调理电路4，所述的中央处理器芯片31的电源输入端通过主控电源35连接供电电源6，所述的中央处理器芯片31的信号输入端还连接直流无刷电机5的输出的三相霍尔信号，以及连接信号调理电路4输出的USO、VSO和WSO信号。

所述的中央处理单元3主要功能是：1、能够实时快速准确地检测主电路的电压、电流的大小；2、快速的电流过流硬件保护；3、实现按键的电机启停控制，LED灯的电机状态显示；4、3V、5V不同电平之间的转换；5、强电、弱点之间的隔离，以及模拟数字信号之间的防干扰；6、控制软件的实时仿真、调试。

在无刷直流电机无位置传感器控制系统中要求中央处理器芯片31能够输出六路占空比可调的PWM信号，能够接收大量的中断信号并及时作出处理，能够实现多种定时任务，最主要的是能够有快速的数据处理能力。中央处理器芯片（DSP）31内部集成硬件乘法电路使得乘法运算能够在单周期内完成，适合进行大量的数据处理。DSP中的ADC模块能够快速地进行数据采集；事件管理器（EV）模块提供了专门的PWM输出引脚，并且具有多个定时器来完成多种定时任务，其中断模块也能更方便地处理实时性任务，本发明选用TI公司的型号为TMS320F2812作为系统的主控芯片即中央处理器芯片31，TMS320F2812具有高速的数据处理能力（主频高达150MIPS）能够对大量数据进行快速处理；其ADC模块具有高速、高精度的数据采集能力，能够快速地实现电压、电流、温度的测量；EV模块可提供PWM输出，并具有过流中断保护引脚可以很好保护系统免受过流损害，CAP单元可以快速地捕获反电势过零信号和三相霍尔信号；多种中断能够快速处理各种实时性任务，也能很好地保障系统的安全。

所述的主控电源35如图6所示。电源是控制电路的动力源，很多元器件对供电电源品质都有明确的要求，因此电源性能的好坏直接关系到各元器件的工作性能及寿命，也关系到控制系统的稳定性和抗干扰能力。在本发明的控制回路中所用到的电源电压等级包括：±15V（电压、电流传感器、IGBT驱动）、+5V（光耦隔离、电平转换芯片、反电势过零检测电路）、+3.3V（电压比较器、DSP及其外围电路供电电源）、+1.9V（DSP内核电压）。±15V由外部电压源提供，如图6所示，上层控制板卡所用+5V由±15V通过电源芯片LM2576及其外围电路产生。其中反电势过零检测电路中端电压采集信号会带有高压串扰，因此其供电电源+5V要与其他电源隔离，本发明采用中层调理板上隔离DC/DC模块将+15V转换为独立的+5V电源供给反电势过零检测电路。如图6所示，上层控制板上+3.3V和+1.9V由TI的双电源芯片TPS70302外加+5V电压源产生，DSP的IO电源为+3.3V，内核电源为+1.8V，但是当DSP的主频高于135MHZ时要求内核电源电压达到+1.9V，因此本发明设有+3.3V和+1.9V电源，这两路电源由+5V电源经双电源芯片TPS70302转换得到的，TPS70302是专门的为DSP供电的低压差线性稳压器（low dropout regulator—LDO），其双路电源输出顺序可由相应的管脚来配置，自身功耗比较小，带有热关断保护功能。TMS320F2812要求在内核电源上电时I/O电源电压已经建立，所以需要将SEQ管脚置低，同时将管脚

和PG1相连来保证DSP的上电顺序。DSP还对电源电压有比较严格的要求，电源偏压一般不要超过5%，TPS70302特有的SVS系统能够在其电源输出值低于标称值5%时快速地关闭电源输出并将复位引脚置低来复位芯片，设计电路时将此复位引脚接至DSP的复位管脚可以快速地实现对DSP的欠压保护以避免DSP损坏。

所述中央处理器芯片（31TMS320F2812数字信号处理模块）与JTAG调试接口箱连接，实现对TMS320F2812数字信号处理模块控制算法的写入、调试与烧写。数字信号处理模块TMS320F2812将引脚TCK、TDO、TMS、TDI、VCC、GND配置为JTAG调试接口。具有JTAG调试口的芯片都有如下JTAG引脚定义：TCK——测试时钟输入；TDI——测试数据输入，数据通过TDI输入JTAG口；TDO——测试数据输出，数据通过TDO从JTAG口输出；TMS——测试模式选择，TMS用来设置JTAG口处于某种特定的测试模式。在使用PC机进行在线调试时，仿真模式下，数据可以通过JTAG接口传入上位机，实时在线观测数据变换，便于编程调试，同时也可以用作程序烧写的接口。

直流母线电压电流的采样，中央处理器芯片（31TMS320F2812数字信号处理模块）的ADC模块具有高达12.5MSPS的转换速率，完全可以用于电流闭环控制中的电流信号高速测量。其多达16路的转换通道还可用于电源电压和外部电流的测量。ADC模块进行采样的输入信号的电压不能超过3V，否则会将模块损坏，在实际应用中一般将输入信号的最高电压控制在2.5V左右。

中央处理单元3设置了按键、LED、电平转换，按键：本发明设计了四路按键电路接至DSP I/O端口，可以方便地实现控制系统的复位及电机的启动，加速、停车的控制。LED：本发明设计了8路LED灯的控制电路接至DSP I/O端口，可以实时地显示电机的运行状况，比如电机运行故障报警：过热、过流、欠压等可以分别显示，方便了电机的调试运行中的监测。电平转换：本控制系统中为+5V、+3.3V混合供电系统，比如驱动板的PWM驱动信号需要+5V信号电平，而DSP输出的PWM信号为+3.3V电平，光耦隔离器件的输出为+5V信号也不满足DSP的输入信号（+3.3V）要求，本系统选用8路双向+3.3V-+5V电平转换器74LVC4245，它具有高速低功耗的转换特性。

相电压采样电路设计，电机的相电压定义为直流无刷电机的三相电压相对虚拟零点的电压（如图11所示虚拟零点），DSP2812通过SPI总线，经过三通道磁耦电路AduM1310外置AD芯片AD7928采集三相相电压，如图11所示的电压比较器输出，作为过零信号，经过TLP117光耦隔离进入DSP的捕获单元中。

所述的调整电路34包括有连接电流传感器7信号输出端的电流传感器电路，连接电压传感器8信号输出端的电压传感器电路，以及连接三相逆变桥模块2的温度传感器电路。

如图7所示，所述的电压传感器电路包括有运算放大芯片F1，所述运算放大芯片F1的同相输入端通过电阻R60连接电压传感器8的信号输出端，该同相输入端还分别通过电容C52接地，以及依次通过电阻R60和电阻R59接地，运算放大芯片F1的输出端通过电阻R94分别连接运算放大芯片F1的反相输入端、通过电容C80接地、通过稳压管D3接地、通过稳压管D3接3.3V电源以及连接中央处理器芯片31。

为了控制系统的应用范围及实现安全的电气隔离，本发明的电压传感器8采用闭环霍尔电压传感器LV25-P/SP2，该型号的电压传感器可用于测量直流、交流、脉冲电压等，供电电压±15V，原副边线圈比为2500:1000，原边最大电流配置为10mA，则副边电流最大值为25mA，本系统所用电源电压最高为300V，因此计算得电阻R_m的参数为30K/3W，为保证AD采样电压不超过3V，将测量电压信号最大值配置为2.5V，所以配置测压电阻R59为100Ω的精密电阻。测量的环境中包含很多噪声干扰，R60和C52构成一阶低通滤波器滤除高频噪声干扰。LM358A搭建的电压跟随器具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗，可以提高测量信号的驱动能力并且保证信号传输过程中不会失真，其中电阻R94和电容C80构成的低通滤波器可消除跟随器产生的高频震荡。在AD与跟随器之间加一钳位电路保证信号电压在AD采样电路的安全电压范围之内，输出端ADCINA1接DSP的AD采样端口。

如图8所示，所述的电流传感器电路包括有运算放大芯片F2，所述运算放大芯片F2的同相输入端通过电阻R58连接电流传感器7的信号输出端A，该同相输入端还分别通过电容C50接地，以及依次通过电阻R58和电阻R57接地，运算放大芯片F2的输出端通过电阻R95分别连接运算放大芯片F2的反相输入端、通过电容C81接地、通过稳压管D5接地、通过稳压管D4接3.3V电源以及连接中央处理器芯片31。

为保证安全的电气隔离及电流测量精度，本发明的电流传感器7采用闭环直流电流霍尔传感器HDC40WJSC，供电电源+15V，该传感器测量电流范围为0-40A，输出信号4-20mA，测量电阻R57为120Ω的精密电阻，电流传感器电路其他部分功能同电压传感器电路，输出端ADCINA2接DSP的AD采样端口。

如图9所示，所述的温度传感器电路包括有运算放大芯片F3，所述运算放大芯片F3的同相输入端通过电阻R62连接设置在三相逆变桥模块2中的电阻RT1，该同相输入端还分别通过电容C53接地，依次通过电阻R62和电阻R61接5V电源，运算放大芯片F3的输出端通过电阻R96分别连接运算放大芯片F3的反相输入端、通过电容C82接地、通过稳压管D7接地、通过稳压管D6接3.3V电源以及连接中央处理器芯片31。

如图10所示，所述的硬件过流保护电路33包括有运算放大芯F4，所述运算放大芯F4的反相输入端通过电阻R58连接电流传感器7的信号输出端A，该反相输入端还分别通过电容C50接地、通过电容C48接地以及依次通过电阻R58和电阻R57接地，所述运算放大芯F4的同相输入端连接电器R61的可调端，电器R61的一端连接3.3V电源，另一端接地，所述运算放大芯F4的输出端分别通过电阻R99连接3.3V电源，通过电阻R100接中央处理器芯片31，所述运算放大芯F4的8脚分别连接3.3V电源和通过电容C56接地。

硬件过流保护电路的前半部分为电流测量及滤波电路，后半部分为LM193构成的电压比较器，首先利用可调变阻器接+3.3V到地，旋转调整端使其中间端子输出一个设定电压值到运放的同相输入端口，当母线电流过流时，运放的反相输入端电压会超过同相输入端电压，比较器输出信号IBH跳变为低电平，IBH接至DSP EV模块的功率保护引脚PDPINTB，当PDPINTB引脚接收到低电平时引发系统中断，PWM引脚输出全部置为高阻态，从而防止了控制系统被损坏。

如图1所示，所述的信号调理电路4包括有三个结构相同的IGBT驱动内核42，和一个反电动势过零比较电路41，所述的反电动势过零比较电路41的信号输入端连接三相逆变桥模块2输出的驱动直流无刷电机5的驱动信号，反电动势过零比较电路41的信号输出端连接中央处理单元3的信号输入端，所述的三个结构相同的IGBT驱动内核42的输入端对应连接中央处理单元3的信号输出端，三个结构相同的IGBT驱动内核42的输出端分别连接三相逆变桥模块2，所述三个结构相同的IGBT驱动内核42对应输出的USO、VSO和WSO信号连接中央处理单元3的信号输入端。

如图11所示，所述的反电动势过零比较电路41包括有三组结构相同分别对应接收三相逆变桥模块2输出的三路驱动信号的电路，其中任一组电路均包括有：相串联的6个电阻R61/R67/R79、R62/R68/R76、R63/R69/R77、R64/R70/R80、R65R71/R81、R91/R72/R82，相串联的6个电阻的输入端连接三路驱动信号中的一路信号A/B/C，相串联的6个电阻的输出端连接一个运算放大器U5A/U5B/U5C的反相输入端，该反相输入端通过一个二极管接电源VCC，所述的运算放大器U5A/U5B/U5C的同相输入端通过一个电阻R74/R78/R75连接运算放大器U5A/U5B/U5C的反相输入端，所述运算放大器U5A/U5B/U5C的输出端SA/SB/SC通过中央处理单元3中的光耦隔离电路32连接中央处理器芯片31，三组电路中的三个运算放大器U5A、U5B、U5C的同相输入端相互连接，所述的相串联的6个电阻的输出端还分别通过一个电阻和一个电容接地。

如图11所示的反电动势过零比较电路41，端电压定义为三相电机的每一相相对直流母线负极的电压，记做u_ao、u_bo、u_co，u_ao、u_bo、u_co分别为三相绕组的端电压，结合图3以A相为例，电阻R61、R62、R63、R64、R65、R91串联与电阻R66分压，电容C22与分压电路构成一阶低通滤波器滤除高频干扰。分压滤波后的三相端电压信号经电阻R74、R78、R75三个精密电阻Y型连接构成电机的虚拟中性点，调理后的端电压信号和中性点电压信号输入电压比较器可以得到随反电势过零点而跳变的数字信号SA、SB、SC，这三个标志转子位置信息的数字信号经光耦隔离电路TLP117隔离输出至中央处理器芯片31的捕获端口。

如图12所示，所述的IGBT驱动内核42包括有驱动芯片U1，所述的驱动芯片U1的1脚通过一电感接15V电源，还分别通过5个电容接地，驱动芯片U1的1脚还依次通过一个电阻RSO2与一个反向二极管D2的串联输出信号USO/VSO/WSO连接中央处理单元3的信号输入端，所述的驱动芯片U1的2脚通过一个电阻R3连接电平转换电路36的输出端UINB/VINB/WINB，该2脚还分别通过一个电阻R9和一个电容C9接地，3脚通过一个电阻R4连接电平转换电路36的输出端UINA/VINA/WINA，4脚通过一个电阻接地，5脚和6脚共同通过反向二极管D2输出信号USO/VSO/WSO连接中央处理单元3的信号输入端，7脚通过一个电阻接地，8脚接地，9脚通过一个电阻和一个电容的串联后与10脚共同再分别通过一个电阻R15和一个二极管D5串联后与11脚一起分别通过两个电阻的并联到输出端G1连接三相逆变桥模块2，以及通过6个电阻的依次串联接至输出端VC接三相逆变桥模块2，驱动芯片U1的12脚通过一个电阻到输出端G1连接三相逆变桥模块2，13脚直接到输出端VE1连接三相逆变桥模块2，该13脚还通过一个稳压二极管到输出端G1连接三相逆变桥模块2，14脚通过一个电阻和一个电容的串联后与15脚共同再分别通过一个电阻R22和一个二极管D8串联后与16脚一起分别通过两个电阻的并联到输出端G4连接三相逆变桥模块2，以及通过6个电阻的依次串联接至输出端VE1连接三相逆变桥模块2，驱动芯片U1的17脚通过一个电阻到输出端G4连接三相逆变桥模块2，18脚直接接地，该18脚还通过一个稳压二极管到输出端G4连接三相逆变桥模块2。

图12所示的是IGBT驱动内核与一个桥臂连接的连接图，IGBT模块及其驱动电路是连接本发明的强电与弱电的环节，因此驱动电路性能的好坏是系统设计成败的关键。本发明选用英飞凌的双通道SCALE-2驱动内核2SC0108T，它可以驱动600A/1200V的IGBT模块的一个桥臂的上下两个功率管，如图12所示，通过外围电路设计，其原边（左）+15V供电，内部脉冲变压器变换出隔离的+-15V副边（右）驱动电源，两路PWM信号经隔离放大转换为IGBT门极驱动信号，此内核还集成了短路保护及电源电压监控功能，驱动内核连接第一号桥臂，驱动IGBT的通断。其中：

（1）原边外围电路设计：如图12所示，以A相桥臂驱动为例，外接+15V电源经LCπ型滤波器给驱动内核供电，PWM调制信号（BINA、BINB）经RC滤波输入驱动内核，MOD引脚直接接地选择驱动器为直接模式工作方式，此时BINA、BINB分别控制同一桥臂的上下功率管通断，SO（1、2）信号是驱动器故障信息的反馈，包括原方电源欠压，副方电源欠压，IGBT短路或过流。如果驱动器发生以上故障，SO引脚输出被拉低，经过一个阻断时间，SO信号线恢复高电平，阻断时间T_B的长短由TB管脚通过一个接地电阻Rb根据下述公式来设置。

R_B[kΩ]=1.0gT_B[ms]+51 20ms<T_B<130ms71kΩ<R_B<181kΩ

（2）副边外围电路设计：如图12驱动内核副边一个通道的输出，VCE2通过若干电阻串联接至IGBT的集电极用于短路或过流监测，管脚REF2中内置150uA的恒流源，外接电阻Rth3设定保护的门槛电压为10V，GH2和GL2通过开通电阻和关断电阻接至IGBT的门极，调整开通和关断电阻的阻值大小可以分别调节功率管的开通和关断时间的长短。VE3接至IGBT的发射极，GL2与集电极之间的电阻能在驱动器掉电的情况下为IGBT的门极和发射极之间提供一个低阻抗回路，防止IGBT门极击穿。双向瞬态抑制二极管Z3防止过流时门极电压被抬高。

Claims

1.一种基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，包括有桥式整流滤波电路（1），其特征在于，还设置有通过传感器与所述的桥式整流滤波电路（1）连接的由自上层到下层依次插针结构相连的作为控制板的中央处理单元（3）、作为调理板的信号调理电路（4）和作为驱动板的三相逆变桥模块（2）共同构成用于驱动直流无刷电机（5）的直流无刷电机调速控制器，以及向中央处理单元（3）和信号调理电路（4）提供电源的供电电源（6），所述的传感器是分别连接中央处理单元（3）的电流传感器（7）和电压传感器（8）。

2.根据权利要求1所述的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，其特征在于，所述的中央处理单元（3）包括有中央处理器芯片（31），分别连接中央处理器芯片（31）的信号输入端的光耦隔离电路（32）、硬件过流保护电路（33）、调整电路（34）和通过AD采样电路（39）连接三相逆变桥模块（2）输出的三相驱动电压的磁耦隔离电路（30），分别连接中央处理器芯片（31）的信号输出端的电平转换电路（36）、JTAG仿真接口（38）和按键与LED电路（37），所述的电平转换电路（36）的输出连接信号调理电路（4），所述的中央处理器芯片（31）的电源输入端通过主控电源（35）连接供电电源（6），所述的中央处理器芯片（31）的信号输入端还连接直流无刷电机（5）的输出的三相霍尔信号，以及连接信号调理电路（4）输出的USO、VSO和WSO信号。

3.根据权利要求2所述的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，其特征在于，所述的调整电路（34）包括有连接电流传感器（7）信号输出端的电流传感器电路，连接电压传感器（8）信号输出端的电压传感器电路，以及连接三相逆变桥模块（2）的温度传感器电路。

4.根据权利要求3所述的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，其特征在于，所述的电压传感器电路包括有运算放大芯片F1，所述运算放大芯片F1的同相输入端通过电阻R60连接电压传感器（8）的信号输出端，该同相输入端还分别通过电容C52接地，以及依次通过电阻R60和电阻R59接地，运算放大芯片F1的输出端通过电阻R94分别连接运算放大芯片F1的反相输入端、通过电容C80接地、通过稳压管D3接地、通过稳压管D3接3.3V电源以及连接中央处理器芯片（31）。

5.根据权利要求3所述的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，其特征在于，所述的电流传感器电路包括有运算放大芯片F2，所述运算放大芯片F2的同相输入端通过电阻R58连接电流传感器（7）的信号输出端（A），该同相输入端还分别通过电容C50接地，以及依次通过电阻R58和电阻R57接地，运算放大芯片F2的输出端通过电阻R95分别连接运算放大芯片F2的反相输入端、通过电容C81接地、通过稳压管D5接地、通过稳压管D4接3.3V电源以及连接中央处理器芯片（31）。

6.根据权利要求3所述的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，其特征在于，所述的温度传感器电路包括有运算放大芯片F3，所述运算放大芯片F3的同相输入端通过电阻R62连接设置在三相逆变桥模块（2）中的电阻RT1，该同相输入端还分别通过电容C53接地，依次通过电阻R62和电阻R61接5V电源，运算放大芯片F3的输出端通过电阻R96分别连接运算放大芯片F3的反相输入端、通过电容C82接地、通过稳压管D7接地、通过稳压管D6接3.3V电源以及连接中央处理器芯片（31）。

7.根据权利要求2所述的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，其特征在于，所述的硬件过流保护电路（33）包括有运算放大芯F4，所述运算放大芯F4的反相输入端通过电阻R58连接电流传感器（7）的信号输出端（A），该反相输入端还分别通过电容C50接地、通过电容C48接地以及依次通过电阻R58和电阻R57接地，所述运算放大芯F4的同相输入端连接电器R61的可调端，电器R61的一端连接3.3V电源，另一端接地，所述运算放大芯F4的输出端分别通过电阻R99连接3.3V电源，通过电阻R100接中央处理器芯片（31），所述运算放大芯F4的8脚分别连接3.3V电源和通过电容C56接地。

8.根据权利要求1所述的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，其特征在于，所述的信号调理电路（4）包括有三个结构相同的IGBT驱动内核（42），和一个反电动势过零比较电路（41），所述的反电动势过零比较电路（41）的信号输入端连接三相逆变桥模块（2）输出的驱动直流无刷电机（5）的驱动信号，反电动势过零比较电路（41）的信号输出端连接中央处理单元（3）的信号输入端，所述的三个结构相同的IGBT驱动内核（42）的输入端对应连接中央处理单元（3）的信号输出端，三个结构相同的IGBT驱动内核（42）的输出端分别连接三相逆变桥模块（2），所述三个结构相同的IGBT驱动内核（42）对应输出的USO、VSO和WSO信号连接中央处理单元（3）的信号输入端。

9.根据权利要求8所述的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，其特征在于，所述的反电动势过零比较电路（41）包括有三组结构相同分别对应接收三相逆变桥模块（2）输出的三路驱动信号的电路，其中任一组电路均包括有：相串联的6个电阻R61/R67/R79、R62/R68/R76、R63/R69/R77、R64/R70/R80、R65R71/R81、R91/R72/R82，相串联的6个电阻的输入端连接三路驱动信号中的一路信号（A/B/C），相串联的6个电阻的输出端连接一个运算放大器U5A/U5B/U5C的反相输入端，该反相输入端通过一个二极管接电源VCC，所述的运算放大器U5A/U5B/U5C的同相输入端通过一个电阻R74/R78/R75连接运算放大器U5A/U5B/U5C的反相输入端，所述运算放大器U5A/U5B/U5C的输出端（SA/SB/SC）通过中央处理单元（3）中的光耦隔离电路（32）连接中央处理器芯片（31），三组电路中的三个运算放大器U5A、U5B、U5C的同相输入端相互连接，所述的相串联的6个电阻的输出端还分别通过一个电阻和一个电容接地。

10.根据权利要求8所述的基于TMS320F2812的直流无刷电机调速控制器，其特征在于，所述的IGBT驱动内核（42）包括有驱动芯片U1，所述的驱动芯片U1的1脚通过一电感接15V电源，还分别通过5个电容接地，驱动芯片U1的1脚还依次通过一个电阻RSO2与一个反向二极管D2的串联输出信号USO/VSO/WSO连接中央处理单元（3）的信号输入端，所述的驱动芯片U1的2脚通过一个电阻R3连接电平转换电路（36）的输出端UINB/VINB/WINB，该2脚还分别通过一个电阻R9和一个电容C9接地，3脚通过一个电阻R4连接电平转换电路（36）的输出端UINA/VINA/WINA，4脚通过一个电阻接地，5脚和6脚共同通过反向二极管D2输出信号USO/VSO/WSO连接中央处理单元（3）的信号输入端，7脚通过一个电阻接地，8脚接地，9脚通过一个电阻和一个电容的串联后与10脚共同再分别通过一个电阻R15和一个二极管D5串联后与11脚一起分别通过两个电阻的并联到输出端G1连接三相逆变桥模块（2），以及通过6个电阻的依次串联接至输出端VC接三相逆变桥模块（2），驱动芯片U1的12脚通过一个电阻到输出端G1连接三相逆变桥模块（2），13脚直接到输出端VE1连接三相逆变桥模块（2），该13脚还通过一个稳压二极管到输出端G1连接三相逆变桥模块（2），14脚通过一个电阻和一个电容的串联后与15脚共同再分别通过一个电阻R22和一个二极管D8串联后与16脚一起分别通过两个电阻的并联到输出端G4连接三相逆变桥模块（2），以及通过6个电阻的依次串联接至输出端VE1连接三相逆变桥模块（2），驱动芯片U1的17脚通过一个电阻到输出端G4连接三相逆变桥模块（2），18脚直接接地，该18脚还通过一个稳压二极管到输出端G4连接三相逆变桥模块（2）。