浅谈电机驱动器硬件结构及设计方案

随着工业技术的迅猛发展，业界对电机驱动系统的定位精度、转速平滑性、稳定性等有更高的要求，因此开发新一代全数字化交流电机驱动器十分有必要。本文着重于电机驱动控制器的硬件设计，为大家进行相关功能模块电路设计提供思路。ADI 以系统级的角度为电机驱动提供了完整的方案。ADI 方案着眼于最高的系统性能和业界领先的集成度，具备最佳的系统效率、可靠性和连接性。

电机驱动器硬件设计

驱动控制器硬件可分为主功率电路和控制电路两个部分：主功率电路主要以整流、逆变为主；控制电路主要以微控制器为核心，还有功率驱动电路、电压电流位置检测、通讯模块。其总体结构如下图 (图1) 所示：

图1 总体硬件结构图

微控制器模块

ADI 开发的 ADSP-CM4xx DSP 处理器采用 ARM Cortex M4 内核，集成了非常高精度的 ADC、数字化的加速器、滤波器、SRAM 和闪存，同时还具有丰富的外设。ADSP-CM4xx DSP 处理器主要适用于要求高性能的实时控制场合，尤其适合对电机驱动控制场景。下图 (图2) 为 ADSP-CM4xx 结构展示：

图2 ADSP-CM4xx结构图

功率驱动电路设计

功率驱动电路以 IGBT 为核心器件，DSP 输出 PWM 信号隔离驱动 IGBT，实现对功率电路的控制。目前市场上 IGBT 驱动常以光耦隔离驱动为主，ADI 推出了 iCoupler® 数字隔离器驱动器。

与传统的光耦隔离相比，iCoupler® 数字隔离能让设计人员摆脱光耦合器的成本、尺寸、功耗、性能和可靠性限制，从而在设计中实现隔离。磁性隔离产品安全可靠且易于使用，是光耦合器的理想替代产品。它具有最高抗扰性、最低 EMI 和最高抗电涌能力，适合用于高噪声、恶劣、不可预测的环境中。

ADI 磁隔离 IGBT 驱动器的特性

ADI 隔离技术采用磁隔离方式，具有较强的电气隔离特性和驱动能力，符合工业自动化的安全性和鲁棒性要求。ADI 磁隔离 IGBT 驱动器可发挥光耦或脉冲变压器的性能和可靠性优势，具有以下特性：

50ns 最大传播延迟
小于5ns 通道间匹配
400Vrms 工作电压下的 50 年工作寿命
单封装电流隔离

ADI ADuM4224 的特性

以 ADI 的 ADuM4224 为例，它正是采用了 iCoupler® 技术的 4A 隔离式半桥栅极驱动器，提供独立且隔离的高端和低端输出，其特性如下：

5000Vrms 隔离
两个独立的隔离通道
采用3.0V – 5.5V 电源电压工作
与低压系统兼容

与采用高压电平转换方法的栅极驱动器相比， ADuM4224 的输入与各输出之间具有真电流隔离优势。相对于输入，各路输出的持续工作电压最高可达 560 VPEAK，因而 ADuM4224 支持低端切换至负电压。高端与低端之间的差分电压最高可达 800 VPEAK。ADuM4224 驱动电路如下图 (图3) 所示：

图3 ADuM4224 驱动电路图

电流检测

电机电流的反馈是实现电机驱动控制算法的核心参数，因此电机电流的采集至关重要。电流属于功率回路参数，采集电流信号需要控制回路隔离。一般用霍尔采样方式进行采集，但该方式体积大、精度低，难以实现更高精度的要求。

ADI 的 ADuM7703 隔离式 Σ-Δ 调制器可将模拟输入信号转换为高速 (最高频率为 20 MHz)、单个位数据流；调制器输出每个位数据的平均时间与输入信号直接成正比。下图 (图4) 显示使用 ADuM7703 在模拟输入、电流检测电阻、分流器和数字输出之间提供隔离的典型应用电路，数字滤波器将对数字输出进行处理，以提供N位字。

图4 电流采样电路

位置检测

为了实现精确定位，必须有较高的位置闭环控制，因此需要采集电机的位置状态信息。通常采用灵活配置分辨率的方案来获取最准确的位置信号。ADI 推出的 AD2S1210 是一款旋转变压器数字转换器，能够随时随地改变其分辨率。

ADI 的 AD2S1210 为集成的解决方案，内部包括了振荡器，可调节频率，可调节电平，模拟输入信号带宽，还内置故障检查等功能。基于 AD2S1210 设计能用更少的外围设计出高级的功能。位置采集电路如下图 (图5) 所示：

图5 位置采集电路图

通讯接口模块

电机驱动器的通讯接口一般有工业以太网、RS485/422、CAN 这三种类型。ADI 推出了一系列隔离式 RS485/422、CAN 接口芯片可供选择，主要有 ADM2587、ADM3053 等，该类隔离接口还集成了隔离式电源，能简化系统设计。在工业自动化系统中，工业以太网接口已成为主流，ADI 的 FIDO5200 和 TMC8462 是当前解决方案的参考首选。

平台搭建及实验结果

本文主要基于 ADI 的 DSP、隔离驱动、以及电流位置反馈为核心设计，以评估板 AD-FMCMOTCON2-EBZ 为平台搭建系统测试性能。AD-FMCMOTCON2-EBZ 是 FPGA 夹层卡 (FMC) 板上一款完善的性能优良的电机系统。采用基于 Mathworks 模型的设计集成系统建模和设计理念，它能够提供完整的电机驱动系统，实现三相 PMSM 和电机的高效和高动态控制，并支持用户针对高性能电机系统快速建模和实现电机控制算法。电机驱动器实物如下图 (图6) 所示：