DSP F2812 與 Power Stage 介面電路

1．功率輸出電路(power stage)

在此是使用盟立股份有限公司所提供的200 瓦功率輸出電路。其中包括 了AC 三相或單相整流電路、感測馬達三相電流的霍爾感測器(Hall sensor)、

馬達旋轉停止時消耗反電動勢之能量的動態煞車、輸出電壓供給馬達的智慧 功率模組(intelligent power module, IPM)和可提供給 encoder 和 ADC 介面電 路的±15 伏特和 5 伏特的直流電壓等。

2．PWM 介面電路

PWM 介面電路主要是將 DSP 輸出之 3.3 伏特的 PWM 信號轉換為 5 伏 特供給功率輸出電路中的智慧功率模組；另外還包含一個Servo On-Off 開關 用來控制智慧功率模組的On-Off。

3．光學編碼器(encoder)之原理與介面電路

圖 2-12 左側為一般遞增型[15]輪式編碼器，其特色為將圓等分成數千 甚至上萬黑白間隔，當輪子轉動時，利用光在相異顏色下折射效果不同或有 無穿透等原理，造成電子訊號反覆 ON-OFF 而產生方波，此又稱為方形編 碼器脈波( quadrature encoder pulse，QEP )。

圖 2-12 輪式編碼器原理圖

一般會有兩組相同原理產生的QEP 訊號，相位(phase)相差 90 度，如圖 2-13，通常稱為 A 相和 B 相，因此產生了四種邏輯訊號組合(00、01、11、

10)，除了可將解析度提升四倍之外，也可藉由四種邏輯訊號出現的先後順 序得知輪軸轉動方向(direction)。另外，encoder 通常還會有 Z 相，它是每轉 一圈只會出現一個 pulse，常用來更新轉子的絕對位置，常稱為 Z-index。

encoder 輸出除了 A、B、Z 三相信號外，通常還有 A、B、Z 的反相信號共 六條信號線，其用意是為了消除環境雜訊對encoder 輸出的影響，故使用時 常將此六條信號線再用encoder 的解碼 IC 加以解碼，解出 A、B、Z 三相信 號進入DSP 的 QEP 電路中。

在本論文中，使用日本 Sinano 公司出產的永磁式交流同步馬達，型號 為6CC201G 的同步馬達，其規格為：極數 14 極(7 Pole Pairs)，200 瓦，瞬 間最大電流約為5 安培，額定電流 2.1 安培，額定轉速 3000 RPM。而馬達 所搭配的encoder 解析度為 2000 pulse/cycle，輸入電壓為 5 伏特，且此 encoder 還有自動偵測馬達轉子之電氣角初始位置的功能， 圖 2-14 為 encoder 輸出 的時序圖，在encoder 電源 Power on 的 3~5 msec 左右時，其輸出的 A 相、

B 相和 Z 相會輸出訊號表示目前馬達轉子之電氣角粗略位置落在圖 2-4 的 那個扇區之中，超過5 msec 後即恢復 encoder 原本 QEP 的功能輸出。

雖然此encoder 自動偵測馬達轉子之電氣角初始位置的功能不能得知轉 子落在該扇區的精確角度，使得PWM 輸出無法正確地完全施力在 q 軸上，

而讓此時輸出的電流可能會含有微量的d 軸分量造成些許的能量損失，但至 少此功能方便了電源啟動時，得知馬達轉子之電氣角粗略位置所在的扇區，

可使 PWM 輸出能正確地推動同步馬達往正確的方向旋轉，等到旋轉經過 Z-index 出現後再進行馬達轉子之電氣角絕對位置的角度校正。圖 2-15 為 encoder 輸出之轉子初始位置與電氣角扇區對照圖。

圖 2-14 電源 Power on 後 encoder 的輸出時序圖

圖 2-15 encoder 輸出之轉子初始位置與電氣角扇區對照圖

encoder 電源供給電路方面，由於 DSP 必須準確地在電源 Power on 後的 3~5 msec 左右抓取 encoder 所輸出之轉子初始位置，因此設計了一個簡單的 電路，利用 DSP 的 GPIO 腳位控制 TRR1B05D 的 IC 型繼電器(relay)，於 DSP 程式執行時，先將 encoder 的電源關閉一小段時間(約 10 msec)，再對 encoder 重新供電，供電後 3 msec 再抓取此時 encoder 之輸出進行轉子初始 位置判定。另外，使用AM26LV32 這個 encoder 解碼 IC 將 encoder 所輸出 的A、B、Z 和 A、B、Z 反相等六個 5 伏特信號解碼為 3.3 伏特的 A、B、Z 信號再接入DSP 的 QEP 腳位。如圖 2-16，其中 LD1117 為 3.3 伏特的穩壓 IC。

4．ADC 介面電路

圖 2-17 為霍爾電流感測器之類比信號進入 DSP ADC 之前的介面電 路。因為馬達的最大瞬間電流可達5 安培，故選定之霍爾電流感測器為±5 安培轉換為±4 伏特；由於霍爾電流感測器是用電磁感測原理感測電流大 小，因此霍爾電流感測器相當容易受到PWM 信號切換智慧功率模組時的切 換雜訊(switching noise)干擾或是外界環境的雜訊干擾，尤其在電流非常小時 雜訊對電流量測的影響更加明顯，會嚴重影響控制的平穩度，故先在霍爾電 流感測器的輸入端加入一階低通濾波器(low pass filter)，將部份的雜訊干擾 降低，設計之截止頻率(-3 dB point)約為 3 KHz 左右。因為 DSP ADC 的輸入 範圍僅0 至 3 伏特，故介面電路需把所得的信號縮小至±1.5 伏特，再由箝 位電路將信號拉升至0 至 3 伏特的範圍中進入 DSP 的 ADC。介面電路最後 需再加上兩個電壓限制二極體和一個串聯的限流電阻，以防止瞬間過大的電 壓和電流燒毀DSP 的 ADC。

圖 2-17 ADC 介面電路