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利用DSP和IPM实现磁滞同步电机及黑体的控制驱动
摘要：阐述了机载成像光谱仪中电机和黑体的驱动特点，利用TMS320F2812 DSP及IR集成功率模块(IPM, Integrated Power Modular)IRAMX16UP60A设计一套通用、灵活的控制驱动系统。实验结果表明，该系统运行稳定可靠， 相比于传统的VMOS管H型功放电路，性能、体积和重量方面，均有较大改进，而且具有一定的灵活性和可扩展性。
关键词：DSP；IPM；磁滞同步电机；高低温黑体
1． 引言 机载成像光谱仪是当代对地观测技术中具有广阔应用前景的一种仪器，它将传统的二维成像遥感技术与光谱仪技术有机地结合在一起，获取观测对象二维空间信息的同时，在连续光谱段上对同一地物同时分谱成像，获取与被测物质组分相关的光谱信息。机载成像光谱仪目前主要有光机扫描式及推帚式两种结构。光机扫描式成像光谱仪由于采用电机+扫描镜的扫描机构，易于实现大视场成像以及放置定标源。中红外、热红外波段的定标源是两个需要实时温度控制的高低温黑体。传统的成像光谱仪使用两个控制器分别控制电机和黑体，利用VMOS管H型功放电路驱动，不仅体积庞大，而且增加了光谱仪的重量和功耗。本文选用TI公司的DSP TMS320F2812作控制器，以IR公司的IPM IRAMX16UP60A作驱动，设计一套具有通用、灵活、小型化特点的控制驱动系统。
2． 驱动原理分析
成像光谱仪中一般选用磁滞同步电机带动扫描镜实现飞机穿轨方向的扫描。其转速与电机驱动信号的频率成正比。此外，由于电机绕组的阻抗随频率的降低而降低，低转速相对增大了驱动电流和功耗，过高的功耗易导致电机发热及不正常工作，所以在低速运转时需要提供较低幅度的脉动电压，而在高速运转时，为了取得足够的转矩，工作电压必须随之升高。根据以上对电机驱动的要求，驱动电路应具备驱动频率设置和驱动电压调整两个方面的功能。电机需要四路方波控制信号，相位关系如图1所示，其中A、B反相，接至电机一个绕组的两个输入端；C、D反相，接至电机另外一个绕组的两个输入端，A、C相位相差90o；B、D也相差90o。
机上高低温黑体定标源工作时其温度分 别控制在地物目标的最高和最低温度附近，采用既能加热又能致冷的半导体热电器件，通过改变流经半导体热电器件的电流方向，即可实现致冷与加热的切换。考虑到工作电流在安培级，为了提高效率，利用PWM（pulse width modulation）信号控制热电器件电流流向的时间比例以达到致冷或加热。
由于磁滞同步电机和半导体热电器件均采用PWM控制，需要切换电流方向，所以电机和黑体的驱动原理、结构相同。
3． 系统总体设计
（1） 系统构成
控制驱动系统框图如图2所示。主控板的控制器使用TI研制的第一款32位DSP TMS320F2812。它采用改进型哈佛总线结构，流水线工作模式，峰值速度可达150MIPS，满足复杂控制算法的需要，并且提供丰富的通讯接口，如CAN，McBSP，SPI等；集成有16通道12位的高速ADc、18K RAM和128K FLASH等。TMS320F2812可以独立控制两个三相电机，包括测速。之所以有如此强大的功能，主要在于嵌有两个独立的事件管理器EV，每个EV含有两个通用定时器GP，GP1和GP2分别用于定时器1比较器和定时器2比较器的工作时基，可独立产生两路PWM即T1PWM_T1CMP和T2PWM_T2CMP；其中GP2可以配置成正交编码QEP工作模式，配合光电编码器可以测量电机的转速；同时GP1还用于全比较器1～3的工作时基，可以产生6路同频不同占空比的PWM1～6，死区时间可调节，因此两个EV最多可以同时产生4种不同频率的PWM，特别适合于需要多PWM控制的场合。使用该DSP构建系统时，只需很少的外围扩展芯片，结构更加简单和紧凑。
系统工作原理分析如下：主控制板产生高低温黑体和电机的控制信号，采用“DSP+FPGA”结构。由于电机的控制需要两路相差为90o的PWM，DSP不能直接产生，需要FPGA配合；同时FPGA也用于产生DAc地址的译码。TMS320F2812产生PWM控制信号，经光耦隔离，输入到IPM实现功率放大，进而驱动电机或者黑体。控制板DA转换后的模拟信号经隔离运放产生调整电压Vadj，控制开关电源输出大小可调的直流电压作为IPM的母线电压(Bus Voltage)。由于驱动信号均是大功率信号，为实现高精度和高可靠性控制，选用霍尔传感器实时监测电流的大小；若电流过大，可及时关断IPM的IGBT以防损坏电机或黑体。由于采用光耦和隔离运放将控制板的地线与驱动板的地线隔离开，避免了电路板之间的互相串扰，提高了稳定性。改变控制信号的形式，即可驱动不同类型的电机和黑体，所以本系统具有通用、灵活的特点。
（2） 集成功率模块
国际整流器公司（IR）推出的16A额定电流IRAMX16UP60A模块专为变速电机驱动应用而设计，能为电子控制变速电机降低高达30%的能耗；集成了6个低损耗IGBT、三相高压高速驱动电路及二十多个独立元件；内置过温/过流保护及集成欠压锁定功能，VBS电压下降到一定值时将关闭高端驱动输出，保证了IGBT不会在高功耗下工作；采用自举升压技术，高端驱动部分的自举二极管结合所需单端电源，大大简化硬件电路设计并提高系统稳定性。
IRAMX16UP60A采用SIP2单列直插封装，占用体积小，只需配合少数外部元件和微控制器，便可实现完整的变速电机驱动器，应用简单、灵活，适合于驱动成像光谱仪中的电机和黑体。为避免控制板的地线CTRL_GND和驱动板的地线DRV_GND相互串扰，IPM 高端和低端IGBT的输入控制引脚均通过光耦6N137进行隔离；由于磁滞同步电机需要四相驱动信号，而1个IPM只能提供三相(U相、V相、W相)，故2个IPM才能满足要求。IPM及光耦在PCB布线时需注意以下几点：（1）每条输入控制线应尽可能的短（小于2cm）,防止干扰产生误动作。（2）CTRL_GND与DRV_GND不可平行，避免寄生耦合。（3）VB与VS之间自举电容要尽可能靠近IC管脚，至少有一个低ESR的电容提供就近耦合。如果使用了铝电解电容做为自举电容，应再并一个瓷电电容。如果自举电容是瓷电或钽电容，自己作为就地耦合即可。（4）驱动信号是大功率信号，布线时应充分考虑温升、线宽、厚度的关系。一般来说，当铜箔厚度为50μm、导线宽度1～1.5mm、通过电流2A时，温升很小。
（3） 电压调整模块
电机转速不同所需的工作电压也不同，考虑到电压调整范围较大，选用开关电源以提高效率，原理框图如图3所示。根据电机转速值，控制板通过DA变换输出一不大于200mV模拟电压，经隔离运放HCPL7800放大后（固定增益G＝8），再通过AD627放大到合适的电压值，用来控制三极管的基极。调整三极管使之工作在放大区，集电极和发射级的电流和压降随基极电压的变化而变化，相当于一个受电压控制的可变电阻，由此改变开关电源的反馈电阻值，从而实现输出母线电压的控制。
（4） 电流检测模块
IPM低端IGBT发射级开路的结构便于进行电流监测，选用了日本Tamura公司生产的闭环式霍尔传感器S22P015S05。它具有通用、小型、高可靠性的特点，并且无电位器，免校正。采用不同的接线方法，额定测量电流亦不同，有If，If/2，If/3三种形式（If＝15A）。其输出电压与待测电流成线性关系，通过仪放AD623放大后，进行AD转换。若发现检测到的电流值过大，可及时关断IGBT，避免对IPM造成永久性损坏。
4． 结论
本文探讨了利用DSP和IPM建立成像光谱仪中电机和黑体的控制驱动系统，已通过各种功能测试。 该系统结构简单、运行稳定，相比于传统的VMOS管H型功放电路，大大缩小仪器的体积和重量。此外，选择不同形式的控制信号， 能够实现对不同类型电机和黑体的控制、驱动，所以本系统亦具有相当的通用性和灵活性。
本文作者创新点：首次使用DSP+IPM的模式代替传统光机扫描式成像光谱仪中电机和黑体的MCU+VMOS管的控制驱动结构，增加了全智能的自我保护功能。测试结果表明，改进后的系统稳定性提高，仪器体积重量大大缩小，具有通用、灵活的特点。
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