开关磁阻电机控制专用集成电路的制作方法

文档序号:7460114
专利名称:开关磁阻电机控制专用集成电路的制作方法
技术领域
本发明涉及一种具有角度处理功能的开关磁阻电机控制专用集成电路, 属于集成电路技术领域。
技术背景开关磁阻电机(Switched Reluctance Machine,以下简称SRM)是上世纪八 十年代出现的一种新型调速电机,采用功率电路脉冲供电,是典型的无刷电 机。开关磁阻电机由于自身特点使其应用于高速场合具有以下独特的优势 ①转子为简单坚固的实心叠片结构,无永磁材料或绕组,可以承受很高机械 强度和离心力,高速性能优异、对高温等恶劣运行环境适应性好;②绕组相 间耦合弱,缺相故障运行能力强,相绕组串在主电路两功率管之间,不会发 生桥臂直通短路故障,系统的可靠性高、容错能力强;③控制非常灵活,方 便实现四象限运行;④电机起动电流小、起动转矩大,加速性能好。因此, 从SRM在航空航天驱动、精密制造、矿山机械、电动车驱动系统等领域得到 了广泛应用前景,被认为是未来具有很强竞争力的一种调速驱动系统。转子位置信号是开关磁阻电机自整步工作的基础,必需实时根据转子所处 位置对相应的绕组进行通断电控制。电机运行在不同的转速及不同输出转矩 条件下要求的优化控制角度亦是不相同的。改变电机控制角度可以使电机在 电动模式与发电模式之间切换。因此,角度位置控制在开关磁阻电机控制系 统中至关重要。目前开关磁阻电机角度位置控制的实现方法主要有两类,一类是利用位置传感器信号直接控制,属于固定开关角控制方式;另一种是利 用微处理器或DSP根据位置信号实时解算,优化控制开关角。前一种在电机整 个工作范围内使用相同的控制角度,控制角度得不到优化因而电机性能得不 到充分发挥,调速范围较小。后一种方案,可以对各种工作状态下电机适当 调整控制角度,但是由于电机位置检测和角度解算需要特定的硬件资源和大 量的计算时间,对微处理器或DSP的硬件配置和计算速度要求较高,实时的位 置解算将占用微处理器大量的硬件和软件资源,对软件的可靠性和稳定性有 着较高要求。这种方案的缺点是系统的硬件成本较高和软件实现的复杂,且 系统易受干扰而降低了可靠性,降低了产品的稳定性,是制约开关磁阻电机 产品推广的一个重要因素。
研制开关磁阻电机角度控制专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)芯片是解决该问题的有效方法。目前国外在本领域的ASIC研 究刚刚起步,且仅适用于固定开关角的应用,固定开关角控制只能构适用在 较小转速范围内运行的开关磁阻电机,并且对于高速开关磁阻电机的高效运 行也是不利的,是简化的设计方案。目前市场缺少具有角度调节功能的专用 集成电路,

发明内容
本发明的目的针对上述存在的缺陷,提出一种具有角度处理功能的开关磁 阻电机专用控制集成电路,该芯片可以实现开关磁阻电机角度控制、电流斩 波控制、电压PWM控制、两步换相等控制方式,其中斩波控制可实现斩上 管、斩下管、斩双管和轮流斩单管四种斩波控制。可满足开关磁阻电机在角 度控制上的特殊要求。本发明的技术解决方案其特征是SPI通讯管理模块的第一输出端接参数 表的第一输入端,SPI通讯管理模块的第二输出端接故障信号处理模块的第一 输入端;斩波信号输入模块的输出端接斩波信号发生模块的输入端;位置信 号输入模块的第一输出端接参数表的第二输入端,位置信号输入模块的第二 输出端接角度控制信号计算与发生模块的第一输入端;故障信号输入模块的 输出端接故障信号处理模块的第二输入端;参数表的第一输出端接第一 DAPWM信号发生模块的输入端,参数表的第二输出端接两步换相延时信号发 生模块的输入端,参数表的第三输出端接PWM信号发生模块的输入端,参数 表的第四输出端接角度控制信号计算与发生模块的第二输入端;第一DAPWM 信号发生器的输出端输出DAPWM信号,两步换相延时信号发生器模块的输出 端接信号综合输出模块的第一输入端,PWM信号发生器的输出端接信号综合 输出模块的第二输入端,斩波信号发生器的输出端接信号综合输出模块的第 三输入端,角度控制信号计算与发生模块的第一输出端接信号综合输出模块 的第四输入端,故障信号处理模块的第一输出端接信号综合输出模块的第五 输入端,使能信号输出端OE接信号综合输出模块的第六输入端,转速计算模 块的输出端接参数表的第三输入端,故障信号处理模块的第二输出端接参数 表的第四输入端,信号综合输出模块的输出端接控制信号输出模块的第一输 入端,控制信号输出模块的第二输入端接逻辑电平输出端LOGC脚。本发明的优点本集成电路的角度控制通过全硬件的角度处理器来完成, 具体的控制算法仍由微处理器来实现,使得对微处理器的性能要求大为降低, 可适用于宽的转速范围,特别是高速及超高速领域,且具有较强的抗干扰能 力,避免了编写位置解算软件,提高了系统的可靠性。本集成电路还集成了故障保护、电流斩波、SPI通讯管理等常用控制模块,可进一步降低了控制器 的硬件成本和开发成本,简化开关磁阻电机控制器的复杂程度,提高了系统工作的稳定性和可靠性。本发明的集成电路具有SPI通讯功能,可以与MCU进 行通讯,对芯片内部的各种控制参数和状态参数进行修改和访问,这就保持 了开关磁阻电机系统原有的控制方法多样、灵活的特点。由于采用SPI通讯功 能,和目前市场上大部分单片机兼容。


图l是开关磁阻电机控制专用集成电路内部的功能结构实施例框图。 图2是开关磁阻电机控制专用集成电路角度控制信号计算与发生模块示意图。 图3是开关磁阻电机控制专用集成电路信号综合和控制信号输出模块结构示 意图。图4是开关磁阻电机控制专用集成电路SPI通讯管理模块示意图。图5是开关磁阻电机控制专用集成电路斩波延时工作时序图。
具体实施方式
对照图1 ,其结构是SPI通讯管理模块的第一输出端接参数表的第一输入 端,SPI通讯管理模块的第二输出端接故障信号处理模块的第一输入端;斩波 信号输入模块的输出端接斩波信号发生模块的输入端;位置信号输入模块的 第一输出端接参数表的第二输入端,位置信号输入模块的第二输出端接角度 控制信号计算与发生模块的第一输入端;故障信号输入模块的输出端接故障 信号处理模块的第二输入端;参数表的第一输出端接第一DAPWM信号发生模块的输入端,参数表的第二输出端接两步换相延时信号发生器模块的输入端, 参数表的第三输出端接PWM信号发生模块的输入端,参数表的第四输出端接角度控制信号计算与发生模块的第二输入端;第一DAPWM信号发生模块的输 出端输出DAPWM信号,两步换相延时信号发生器模块的输出端接信号综合输 出模块的第一输入端,PWM信号发生模块的输出端接信号综合输出模块的第 二输入端,斩波信号发生器的输出端接信号综合输出模块的第三输入端,角 度控制信号计算与发生模块的第一输出端接信号综合输出模块的第四输入 端,故障信号处理模块的第一输出端接信号综合输出模块的第五输入端,使 能信号输出端OE接信号综合输出模块的第六输入端,转速计算模块的输出端 接参数表的第三输入端,故障信号处理模块的第二输出端接参数表的第四输 入端,信号综合输出模块的输出端接控制信号输出模块的第一输入端,控制 信号输出模块的第二输入端接逻辑电平输出端LOGC脚。所述的斩波信号输入模块,其最大斩波延时2048/fclk,最小为l/fclk。 所述的可改变延时长度的两步换相延时信号发生器模块,其最大延时长度 2048/fclk,最小为l/fclk。所述的两个可分别设定周期和占空比的PWM发生模块,其中第一PWM发 生模块在芯片内部使用最终可叠加在控制信号用于PWM调压,第二PWM发生 模块通过引DAPWM输出可变化PWM信号,经过滤波处理后形成可变模拟量 输出用于斩波限。所述的位置信号输入模块,由现有的位置信号输入、周期计数器、周期平 均值计算、角度延时计算、导通延时计算、触发源选择、角度控制输出、转 速计算模块组成,采用硬件电路实现角度的调节,其实现的方法如下位置 信号的周期计数器分别计数每相位置信号两次上(下)跳沿之间的时钟数, 得到位置信号周期值,压入周期平均值计算器的FIFO队列中,经过平均后得到位置信号的平均周期;角度延时计算模块和导通延时计算模块根据位置信 号及位置信号周期平均值计算电机的开通延时计数值和导通延时计数值,实 现开关磁阻电机控制角度的实时调节。斩波信号输入模块有多种斩波形式斩上管、斩下管、斩双管和轮波斩单 管,将控制信号与三相电流斩波信号、内部PWM信号、两步换相延时信号按选定的斩流形式综合后输出到6个控制输出引脚,输出引脚为开漏设计最大允许灌电流为24mA,后级直接接驱动光耦电流要求较大的器件,通过LOGC引脚选择输出控制为正逻辑或反逻辑。开关磁阻电机控制专用集成电路和系统的微处理器(MCU)并行工作, 通过SPI通讯,微处理器对集成电路内部的各种电机的运行控制参数和状态 参数进行在线修改和访问。本发明有多种控制信号输出方式选择位置信号直接输出、位置信号反向 输出、角度计算输出、手动输出。位置信号直接输出主要用于开关磁阻电机 起动阶段;手动输出主要针对起动有困难的电机,直接控制各相按一定时序 导通或关断,也可用于电机调试。该开关磁阻电机控制专用集成电路(芯片)采用的是0.5pm的CMOS生产工 艺,采用SOP-28封装。对照图2,位置信号输入到位置信号输入模块,当电平改变并保持超过16 个时钟周期后位置信号输入模块确认电平变化同时给出跳沿检测标志。三个 周期计数器分别计数各位置信号两次上跳沿之间的时钟数,得到位置信号周 期值。由于周期计数器分别对三个位置信号计数,所以如缺少一个位置信号 甚至只有一个位置信号,也能准确的得到位置信号周期值。得到的周期值压 入周期平均值计算的FIFO队列中,经过平均后得到位置信号的平均周期。角度延时计算模块和导通延时计算模块根据位置信号CITAx、 CITAD及位置信号 周期平均值计算电机的开通延时计数值和导通延时计数值。以SELA、 SELB、 SELC选择三相角度输出的触发源,可以是三个位置信号上下跳沿这6个信号 中的任一个。当触发信号出现后角度控制输出模块加载开通延时计数值到开 通延时计数器作减计数,同时加载导通延时到导通延时计数器缓冲。当开通 延时计数到O后从导通延时计数器缓冲加载数据到导通延时计数器并作减计 数同时置输出开逻辑。在导通延时计数器计数过程中如出现触发信号,按同 样的程序工作不影响导通延时计数器的工作状态和输出状态。当导通延时计 数减到0时,输出关逻辑。如果在导通延时计数没有到O而开通延时计数器减 到0时,则加载新的导通延时计数值覆盖原有的值同时保持输出开逻辑。角度控制信号计算与发生模块中按三个位置信号发生的顺序检测电机的 转向,认为PS、 QS、 RS三个位置信号顺序出现为正向,否则为反向。如果有 一个位置信号出现故障则无法检测出正确的转向,在周期平均值计算得到结果后,转速计算器用参数表中的转速系数CALC 除4倍的周期平均值得到转速值保存在片内状态寄存器STATUS中。当周期平 均值太小计算溢出或周期计数值溢出时,设置转速值的所有位为1表示无效的 转速值。对照图3,开关磁阻电机专用控制集成电路(芯片)为三相开关磁阻电机 控制器输出6个控制信号可直接用于功率电路的驱动控制。Aup、 Adn分别对 应A相上管和下管驱动控制,Bup、Bdn分别对应B相上管和下管驱动控制,Cup、 Cdn分别对应C相上管和下管驱动控制。这6个引脚都是开漏设计最大电流为 24mA,可直接用于驱动光耦等有较大电流要求的器件。LOGIC引脚用于设定输出逻辑,是高电平对应导通功率管还是相反。L0GIC4时低电平对应功率 管导通,高电平关断。相反LOGK^0时低电平对应功率管关断,低电平导通。在信号综合输出模块中,开关磁阻电机专用控制集成电路将常用的一些控 制方式的控制信号结合到一起。可以按要采用的控制方式来设定OUTSEL、 CHOPST和PWMEN等参数。OUTSEL选择角度信号发生方式,四种产生方式 角度计算输出(00b)、位置信号直接输出(Olb)、位置信号反相输出(10b) \手动输出(llb)。角度计算输出指的是内部角度解算模块按照CITAx、 CITAD 以及CITASET设定值发生的角度控制信号,常用于角度位置控制方式;位置 信号直接输出和位置信号反相输出是当电机转速很低,内部角度解算模块无 法计算输出角度时采用,通常用于起动过程;手动输出指的是按照参数DSETx 给定值输出,改变DSETx的值也就改变了功率管的开关状态与位置信号无关。 对于自起动困难的电机,在起动段单片机可查询STATUS中STUP STUR值得 到当前位置信号,并以此为据决定导通哪些相或关断哪些相来实现平稳起动。开关磁阻电机专用控制集成电路中还集成的电流斩波延时、两步换相延 时、PWM这些常用的辅助控制手段。通过设定CHOPST决定,以四种斩波方 式斩双管(00b)、斩上管(01b)、斩下管(10b)、轮流斩单管(llb)中的哪一种方 式将这些信号与角度输出信号相综合。斩双管时辅助控制信号直接叠加到上 下管的输出信号上,上下管同时开或同时关。斩上管时辅助控制信号只作用 于上管输出信号。同样斩下管时辅助控制信号只作用于下管输出信号。轮流 斩单管指的是辅助信号按开关状态变化轮流作用于上管和下管的输出信号, 这样可使上下管的工作条件基本相同有利于延长功率管的工作寿命。SPI通讯管理模块,通过开关磁阻电机专用控制集成电路的SPI通讯接口,可访问其内部的所有控制参数。开关磁阻电机专用控制集成电路作为从设 备工作,其SPI通讯定义在同步时钟上跳沿将数据位移出,下跳沿将数据位移入,每个数据为16位,最大传输速率为fclk/4。对照图4, SPI通讯管理模块相关的有SCK、 MOSI、 MISO、 SPIEN四个引脚,SCK引脚为同步时钟输入引脚,最大的SCK频率为fclk/4。 MOSI为数据输 入引脚,SCK下跳沿将数据移入。MISO为数据输出引脚,SCK上跳沿将数据 移出,SPIEN为SPI功能选通脚,对照图2,专用控制集成电路中有两个完全相同的PWM信号发生器,第一 PWM信号发生器输出DAPWM,第二PWM信号发生器在内部使用。PWM信 号发生器有两种工作模式单增模式和增减模式。单增模式下周期计数器从O累 加到周期设定值后清O再重新累加。增减模式下周期计数器从O累加到周期设 定值后再递减到O。显然两种模式下相同参数条件下,占空比相等而单增模式 下的频率是增减模式下的2倍。增减模式输出波形左右对称,因此其谐波含量 较小。两个模式下周期设定值及导通宽度只在周期计数器为O的时候加载。对照图5,开关磁阻电机专用控制集成电路中斩波信号发生模块分别对应 三相的斩波信号CHOPA、 CHOPB禾卩CHOPC。 CHOPx为高电平时加载斩波延 时设定值,斩波信号发生模块输出低电平要求输出斩波。当CHOPx由高变低 后延时计数器开始递减,减到O后输出高电平完成斩波延时。因此实际斩波的 时间长度要大于设定的斩波延时计数值对应时间。如图所示从T1到T2对应才 是斩波延时设定值,T0到T2是实际的斩波时间长度。斩波延时设定值在斩波 信号出现时加载。对照图2,开关磁阻电机专用控制集成电路提供三路故障输入ERRO、 ERR1和ERR2,低电平故障。当引脚上由高电平变为低电平时,故障信号处理模块 锁存这个信号,并使输出6路功率管控制信号关断。当引脚信号由故障状态恢 复后,故障信号处理模块仍然处于故障保持状态,控制信号仍然不能输出。 要从故障状态锁存状态中恢复,必需通过SPI接口给芯片发送CLRERR指令清 除锁存。另一种情况,故障状态始终存在而芯片接收到CLRERR指令清除锁存,这时芯片仍然保持不输出,但故障状态一旦恢复则芯片马上可以输出控制信 号。故障状态及锁存的故障状态可以读取STATUS参数得到。故障锁存与输入时钟无关,即使输入时钟出现故障仍然可以锁存故障保护 功率器件。但SPI通讯必须有正确的时钟输入保证,否则无法接收CLRERR指 令清除故障锁存,发生故障后将不再输出控制信号。开关磁阻电机专用控制集成电路(芯片)特征可以实现角度控制、电流 斩波控制、电压PWM控制、两步换相控制、角度控制功能,可处理10kHz的 位置信号(10MHz时钟频率,处理精度千分之一位置信号周期),工作电压2.7V 到5.5V,多种电流斩波形式,可编程斩波延时延时,两路可编程PWM发生(一 路可输出),可编程两步换相延时时间,3路功率保护信号输入,输出正负逻 辑可选,控制信号开漏输出,最大24mA灌电流,SPI通讯接口。该芯片的功能设计采用"自顶向下"的设计方法,将该芯片所要实现的功能 逐层向下分解,最终分解到最底层模块。按照数字集成电路的设计流程,运 用硬件描述语言Verilog HDL将具体的模块功能转化为对应的HDL代码,通过 不断的修改和验证,最终完成开关磁阻电机专用控制集成电路的HDL代码的 整体设计。再经过EDA软件仿真、FPGA实验验证、ASIC逻辑综合及仿真测试, 直到AISC版图设计达到要求,最后基于标准单元ASIC自动化生成技术,进行 ASIC芯片设计,经过工厂流片,就得到该芯片的裸片。
权利要求
1、开关磁阻电机控制专用集成电路,其特征是SPI通讯管理模块的第一输出端接参数表的第一输入端,SPI通讯管理模块的第二输出端接故障信号处理模块的第一输入端;斩波信号输入模块的输出端接斩波信号发生模块的输入端;位置信号输入模块的第一输出端接参数表的第二输入端,位置信号输入模块的第二输出端接角度控制信号计算与发生模块的第一输入端;故障信号输入模块的输出端接故障信号处理模块的第二输入端;参数表的第一输出端接第一DAPWM信号发生模块的输入端,参数表的第二输出端接两步换相延时信号发生模块的输入端,参数表的第三输出端接PWM信号发生模块的输入端,参数表的第四输出端接角度控制信号计算与发生模块的第二输入端;第一DAPWM信号发生模块的输出端输出DAPWM信号,两步换相延时信号发生器模块的输出端接信号综合输出模块的第一输入端,PWM信号发生模块的输出端接信号综合输出模块的第二输入端,斩波信号发生模块器的输出端接信号综合输出模块的第三输入端,角度控制信号计算与发生模块的第一输出端接信号综合输出模块的第四输入端,故障信号处理模块的第一输出端接信号综合输出模块的第五输入端,使能输出端OE接信号综合输出模块的第六输入端,转速计算器模块的输出端接参数表的第三输入端,故障信号处理模块的第二输出端接参数表的第四输入端,信号综合输出模块的输出端接控制信号输出模块的第一输入端,控制信号输出模块的第二输入端接逻辑电平输出LOGC。
2、根据权利要求l所述的开关磁阻电机控制专用集成电路,其特征是所述 的电流斩波信号输入模块,其最大斩波延时2048/fclk,最小为l/fclk。
3、 根据权利要求l所述的开关磁阻电机控制专用集成电路,其特征是所述 的可改变延时长度的两步换相延时信号发生器模块,其最大延时长度2048/fclk,最小为l/fclk。
4、 根据权利要求l所述的开关磁阻电机控制专用集成电路,其特征是所述 的两个可分别设定周期和占空比的PWM发生模块,其中第一PWM发生模块在 芯片内部使用最终可叠加在控制信号用于PWM调压,第二PWM发生模块通过 引DAPWM输出可变化PWM信号,经过滤波处理后形成可变模拟量输出用于 斩波限。
5、 根据权利要求l所述的开关磁阻电机控制专用集成电路,其特征是所述 的位置信号输入模块,由位置信号输入、周期计数器、周期平均值计算、角 度延时计算、导通延时计算、触发源选择、角度控制输出、转速计算模块组 成,采用硬件电路实现角度的调节,其实现的方法如下位置信号的周期计 数器分别计数每相位置信号两次上(下)跳沿之间的时钟数,得到位置信号 周期值,压入周期平均值计算器的FIFO队列中,经过平均后得到位置信号的 平均周期;角度延时计算模块和导通延时计算模块根据位置信号及位置信号 周期平均值计算电机的开通延时计数值和导通延时计数值,实现开关磁阻电 机控制角度的实时调节。
6、 根据权利要求l所述的开关磁阻电机控制专用集成电路,其特征是;电 流斩波信号输入模块有多种斩波形式斩上管、斩下管、斩双管和轮波斩单 管,将控制信号与三相电流斩波信号、内部PWM信号、两步换相延时信号按 选定的斩流形式综合后输出到6个控制输出引脚,输出引脚为开漏设计最大允 许灌电流为24mA,后级直接接驱动光耦电流要求较大的器件,通过LOGC引 脚选择输出控制为正逻辑或反逻辑。
全文摘要
本发明是开关磁阻电机控制专用集成电路,其结构是主要包括可改变斩波延时长度的三相电流斩波模块、可改变延时长度的两步换相模块、两个可分别设定周期和占空比的PWM发生模块、位置角度控制信号计算和发生功能模块。优点开关磁阻电机角度控制通过全硬件的专用集成电路来完成,具体的闭环控制仍由微处理器来实现,使得对微处理器的性能要求大为降低,可适用于宽的转速范围,特别是高速及超高速领域,且具有较强的抗干扰能力,避免编写位置解算软件,提高了系统的可靠性。本集成电路还集成了故障保护、电流斩波、SPI通讯管理等常用控制模块,可进一步降低控制器的硬件成本和开发成本,简化开关磁阻电机控制器的复杂程度,提高系统工作的稳定性和可靠性。
文档编号H02P6/00GK101227161SQ20071019169
公开日2008年7月23日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年12月14日
发明者闯 刘, 曹志亮, 朱学忠, 蒋冬青 申请人:南京航空航天大学
再多了解一些
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