專利名稱：開關磁阻電機控制專用集成電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有角度處理功能的開關磁阻電機控制專用集成電路， 屬于集成電路技術領域。
技術背景開關磁阻電機(Switched Reluctance Machine,以下簡稱SRM)是上世紀八 十年代出現的一種新型調速電機，采用功率電路脈沖供電，是典型的無刷電 機。開關磁阻電機由于自身特點使其應用于高速場合具有以下獨特的優勢 ①轉子為簡單堅固的實心疊片結構，無永磁材料或繞組，可以承受很高機械 強度和離心力，高速性能優異、對高溫等惡劣運行環境適應性好；②繞組相 間耦合弱，缺相故障運行能力強，相繞組串在主電路兩功率管之間，不會發 生橋臂直通短路故障，系統的可靠性高、容錯能力強；③控制非常靈活，方 便實現四象限運行；④電機起動電流小、起動轉矩大，加速性能好。因此， 從SRM在航空航天驅動、精密制造、礦山機械、電動車驅動系統等領域得到 了廣泛應用前景，被認為是未來具有很強競爭力的一種調速驅動系統。轉子位置信號是開關磁阻電機自整步工作的基礎，必需實時根據轉子所處 位置對相應的繞組進行通斷電控制。電機運行在不同的轉速及不同輸出轉矩 條件下要求的優化控制角度亦是不相同的。改變電機控制角度可以使電機在 電動模式與發電模式之間切換。因此，角度位置控制在開關磁阻電機控制系 統中至關重要。目前開關磁阻電機角度位置控制的實現方法主要有兩類，一類是利用位置傳感器信號直接控制，屬于固定開關角控制方式；另一種是利 用微處理器或DSP根據位置信號實時解算，優化控制開關角。前一種在電機整 個工作范圍內使用相同的控制角度，控制角度得不到優化因而電機性能得不 到充分發揮，調速范圍較小。后一種方案，可以對各種工作狀態下電機適當 調整控制角度，但是由于電機位置檢測和角度解算需要特定的硬件資源和大 量的計算時間，對微處理器或DSP的硬件配置和計算速度要求較高，實時的位 置解算將占用微處理器大量的硬件和軟件資源，對軟件的可靠性和穩定性有 著較高要求。這種方案的缺點是系統的硬件成本較高和軟件實現的復雜，且 系統易受干擾而降低了可靠性，降低了產品的穩定性，是制約開關磁阻電機 產品推廣的一個重要因素。
研制開關磁阻電機角度控制專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)芯片是解決該問題的有效方法。目前國外在本領域的ASIC研 究剛剛起步，且僅適用于固定開關角的應用，固定開關角控制只能構適用在 較小轉速范圍內運行的開關磁阻電機，并且對于高速開關磁阻電機的高效運 行也是不利的，是簡化的設計方案。目前市場缺少具有角度調節功能的專用 集成電路，

發明內容
本發明的目的針對上述存在的缺陷，提出一種具有角度處理功能的開關磁 阻電機專用控制集成電路，該芯片可以實現開關磁阻電機角度控制、電流斬 波控制、電壓PWM控制、兩步換相等控制方式，其中斬波控制可實現斬上 管、斬下管、斬雙管和輪流斬單管四種斬波控制。可滿足開關磁阻電機在角 度控制上的特殊要求。本發明的技術解決方案其特征是SPI通訊管理模塊的第一輸出端接參數 表的第一輸入端，SPI通訊管理模塊的第二輸出端接故障信號處理模塊的第一 輸入端；斬波信號輸入模塊的輸出端接斬波信號發生模塊的輸入端；位置信 號輸入模塊的第一輸出端接參數表的第二輸入端，位置信號輸入模塊的第二 輸出端接角度控制信號計算與發生模塊的第一輸入端；故障信號輸入模塊的 輸出端接故障信號處理模塊的第二輸入端；參數表的第一輸出端接第一 DAPWM信號發生模塊的輸入端，參數表的第二輸出端接兩步換相延時信號發 生模塊的輸入端，參數表的第三輸出端接PWM信號發生模塊的輸入端，參數 表的第四輸出端接角度控制信號計算與發生模塊的第二輸入端；第一DAPWM 信號發生器的輸出端輸出DAPWM信號，兩步換相延時信號發生器模塊的輸出 端接信號綜合輸出模塊的第一輸入端，PWM信號發生器的輸出端接信號綜合 輸出模塊的第二輸入端，斬波信號發生器的輸出端接信號綜合輸出模塊的第 三輸入端，角度控制信號計算與發生模塊的第一輸出端接信號綜合輸出模塊 的第四輸入端，故障信號處理模塊的第一輸出端接信號綜合輸出模塊的第五 輸入端，使能信號輸出端OE接信號綜合輸出模塊的第六輸入端，轉速計算模 塊的輸出端接參數表的第三輸入端，故障信號處理模塊的第二輸出端接參數 表的第四輸入端，信號綜合輸出模塊的輸出端接控制信號輸出模塊的第一輸 入端，控制信號輸出模塊的第二輸入端接邏輯電平輸出端LOGC腳。本發明的優點本集成電路的角度控制通過全硬件的角度處理器來完成， 具體的控制算法仍由微處理器來實現，使得對微處理器的性能要求大為降低， 可適用于寬的轉速范圍，特別是高速及超高速領域，且具有較強的抗干擾能 力，避免了編寫位置解算軟件，提高了系統的可靠性。本集成電路還集成了故障保護、電流斬波、SPI通訊管理等常用控制模塊，可進一步降低了控制器 的硬件成本和開發成本，簡化開關磁阻電機控制器的復雜程度，提高了系統工作的穩定性和可靠性。本發明的集成電路具有SPI通訊功能，可以與MCU進 行通訊，對芯片內部的各種控制參數和狀態參數進行修改和訪問，這就保持 了開關磁阻電機系統原有的控制方法多樣、靈活的特點。由于采用SPI通訊功 能，和目前市場上大部分單片機兼容。


圖l是開關磁阻電機控制專用集成電路內部的功能結構實施例框圖。 圖2是開關磁阻電機控制專用集成電路角度控制信號計算與發生模塊示意圖。 圖3是開關磁阻電機控制專用集成電路信號綜合和控制信號輸出模塊結構示 意圖。圖4是開關磁阻電機控制專用集成電路SPI通訊管理模塊示意圖。圖5是開關磁阻電機控制專用集成電路斬波延時工作時序圖。
具體實施方式
對照圖1 ，其結構是SPI通訊管理模塊的第一輸出端接參數表的第一輸入 端，SPI通訊管理模塊的第二輸出端接故障信號處理模塊的第一輸入端；斬波 信號輸入模塊的輸出端接斬波信號發生模塊的輸入端；位置信號輸入模塊的 第一輸出端接參數表的第二輸入端，位置信號輸入模塊的第二輸出端接角度 控制信號計算與發生模塊的第一輸入端；故障信號輸入模塊的輸出端接故障 信號處理模塊的第二輸入端；參數表的第一輸出端接第一DAPWM信號發生模塊的輸入端，參數表的第二輸出端接兩步換相延時信號發生器模塊的輸入端， 參數表的第三輸出端接PWM信號發生模塊的輸入端，參數表的第四輸出端接角度控制信號計算與發生模塊的第二輸入端；第一DAPWM信號發生模塊的輸 出端輸出DAPWM信號，兩步換相延時信號發生器模塊的輸出端接信號綜合輸 出模塊的第一輸入端，PWM信號發生模塊的輸出端接信號綜合輸出模塊的第 二輸入端，斬波信號發生器的輸出端接信號綜合輸出模塊的第三輸入端，角 度控制信號計算與發生模塊的第一輸出端接信號綜合輸出模塊的第四輸入 端，故障信號處理模塊的第一輸出端接信號綜合輸出模塊的第五輸入端，使 能信號輸出端OE接信號綜合輸出模塊的第六輸入端，轉速計算模塊的輸出端 接參數表的第三輸入端，故障信號處理模塊的第二輸出端接參數表的第四輸 入端，信號綜合輸出模塊的輸出端接控制信號輸出模塊的第一輸入端，控制 信號輸出模塊的第二輸入端接邏輯電平輸出端LOGC腳。所述的斬波信號輸入模塊，其最大斬波延時2048/fclk，最小為l/fclk。 所述的可改變延時長度的兩步換相延時信號發生器模塊，其最大延時長度 2048/fclk，最小為l/fclk。所述的兩個可分別設定周期和占空比的PWM發生模塊，其中第一PWM發 生模塊在芯片內部使用最終可疊加在控制信號用于PWM調壓，第二PWM發生 模塊通過引DAPWM輸出可變化PWM信號，經過濾波處理后形成可變模擬量 輸出用于斬波限。所述的位置信號輸入模塊，由現有的位置信號輸入、周期計數器、周期平 均值計算、角度延時計算、導通延時計算、觸發源選擇、角度控制輸出、轉 速計算模塊組成，采用硬件電路實現角度的調節，其實現的方法如下位置 信號的周期計數器分別計數每相位置信號兩次上(下)跳沿之間的時鐘數， 得到位置信號周期值，壓入周期平均值計算器的FIFO隊列中，經過平均后得到位置信號的平均周期；角度延時計算模塊和導通延時計算模塊根據位置信 號及位置信號周期平均值計算電機的開通延時計數值和導通延時計數值，實 現開關磁阻電機控制角度的實時調節。斬波信號輸入模塊有多種斬波形式斬上管、斬下管、斬雙管和輪波斬單 管，將控制信號與三相電流斬波信號、內部PWM信號、兩步換相延時信號按選定的斬流形式綜合后輸出到6個控制輸出引腳，輸出引腳為開漏設計最大允許灌電流為24mA，后級直接接驅動光耦電流要求較大的器件，通過LOGC引腳選擇輸出控制為正邏輯或反邏輯。開關磁阻電機控制專用集成電路和系統的微處理器(MCU)并行工作， 通過SPI通訊，微處理器對集成電路內部的各種電機的運行控制參數和狀態 參數進行在線修改和訪問。本發明有多種控制信號輸出方式選擇位置信號直接輸出、位置信號反向 輸出、角度計算輸出、手動輸出。位置信號直接輸出主要用于開關磁阻電機 起動階段；手動輸出主要針對起動有困難的電機，直接控制各相按一定時序 導通或關斷，也可用于電機調試。該開關磁阻電機控制專用集成電路(芯片)采用的是0.5pm的CMOS生產工 藝，采用SOP-28封裝。對照圖2，位置信號輸入到位置信號輸入模塊，當電平改變并保持超過16 個時鐘周期后位置信號輸入模塊確認電平變化同時給出跳沿檢測標志。三個 周期計數器分別計數各位置信號兩次上跳沿之間的時鐘數，得到位置信號周 期值。由于周期計數器分別對三個位置信號計數，所以如缺少一個位置信號 甚至只有一個位置信號，也能準確的得到位置信號周期值。得到的周期值壓 入周期平均值計算的FIFO隊列中，經過平均后得到位置信號的平均周期。角度延時計算模塊和導通延時計算模塊根據位置信號CITAx、 CITAD及位置信號 周期平均值計算電機的開通延時計數值和導通延時計數值。以SELA、 SELB、 SELC選擇三相角度輸出的觸發源，可以是三個位置信號上下跳沿這6個信號 中的任一個。當觸發信號出現后角度控制輸出模塊加載開通延時計數值到開 通延時計數器作減計數，同時加載導通延時到導通延時計數器緩沖。當開通 延時計數到O后從導通延時計數器緩沖加載數據到導通延時計數器并作減計 數同時置輸出開邏輯。在導通延時計數器計數過程中如出現觸發信號，按同 樣的程序工作不影響導通延時計數器的工作狀態和輸出狀態。當導通延時計 數減到0時，輸出關邏輯。如果在導通延時計數沒有到O而開通延時計數器減 到0時，則加載新的導通延時計數值覆蓋原有的值同時保持輸出開邏輯。角度控制信號計算與發生模塊中按三個位置信號發生的順序檢測電機的 轉向，認為PS、 QS、 RS三個位置信號順序出現為正向，否則為反向。如果有 一個位置信號出現故障則無法檢測出正確的轉向，在周期平均值計算得到結果后，轉速計算器用參數表中的轉速系數CALC 除4倍的周期平均值得到轉速值保存在片內狀態寄存器STATUS中。當周期平 均值太小計算溢出或周期計數值溢出時，設置轉速值的所有位為1表示無效的 轉速值。對照圖3，開關磁阻電機專用控制集成電路(芯片)為三相開關磁阻電機 控制器輸出6個控制信號可直接用于功率電路的驅動控制。Aup、 Adn分別對 應A相上管和下管驅動控制，Bup、Bdn分別對應B相上管和下管驅動控制，Cup、 Cdn分別對應C相上管和下管驅動控制。這6個引腳都是開漏設計最大電流為 24mA，可直接用于驅動光耦等有較大電流要求的器件。LOGIC引腳用于設定輸出邏輯，是高電平對應導通功率管還是相反。L0GIC4時低電平對應功率 管導通，高電平關斷。相反LOGK^0時低電平對應功率管關斷，低電平導通。在信號綜合輸出模塊中，開關磁阻電機專用控制集成電路將常用的一些控 制方式的控制信號結合到一起。可以按要采用的控制方式來設定OUTSEL、 CHOPST和PWMEN等參數。OUTSEL選擇角度信號發生方式，四種產生方式 角度計算輸出(00b)、位置信號直接輸出(Olb)、位置信號反相輸出(10b) \手動輸出(llb)。角度計算輸出指的是內部角度解算模塊按照CITAx、 CITAD 以及CITASET設定值發生的角度控制信號，常用于角度位置控制方式；位置 信號直接輸出和位置信號反相輸出是當電機轉速很低，內部角度解算模塊無 法計算輸出角度時采用，通常用于起動過程；手動輸出指的是按照參數DSETx 給定值輸出，改變DSETx的值也就改變了功率管的開關狀態與位置信號無關。 對于自起動困難的電機，在起動段單片機可查詢STATUS中STUP STUR值得 到當前位置信號，并以此為據決定導通哪些相或關斷哪些相來實現平穩起動。開關磁阻電機專用控制集成電路中還集成的電流斬波延時、兩步換相延 時、PWM這些常用的輔助控制手段。通過設定CHOPST決定，以四種斬波方 式斬雙管(00b)、斬上管(01b)、斬下管(10b)、輪流斬單管(llb)中的哪一種方 式將這些信號與角度輸出信號相綜合。斬雙管時輔助控制信號直接疊加到上 下管的輸出信號上，上下管同時開或同時關。斬上管時輔助控制信號只作用 于上管輸出信號。同樣斬下管時輔助控制信號只作用于下管輸出信號。輪流 斬單管指的是輔助信號按開關狀態變化輪流作用于上管和下管的輸出信號， 這樣可使上下管的工作條件基本相同有利于延長功率管的工作壽命。SPI通訊管理模塊，通過開關磁阻電機專用控制集成電路的SPI通訊接口，可訪問其內部的所有控制參數。開關磁阻電機專用控制集成電路作為從設 備工作，其SPI通訊定義在同步時鐘上跳沿將數據位移出，下跳沿將數據位移入，每個數據為16位，最大傳輸速率為fclk/4。對照圖4， SPI通訊管理模塊相關的有SCK、 MOSI、 MISO、 SPIEN四個引腳，SCK引腳為同步時鐘輸入引腳，最大的SCK頻率為fclk/4。 MOSI為數據輸 入引腳，SCK下跳沿將數據移入。MISO為數據輸出引腳，SCK上跳沿將數據 移出，SPIEN為SPI功能選通腳，對照圖2，專用控制集成電路中有兩個完全相同的PWM信號發生器，第一 PWM信號發生器輸出DAPWM，第二PWM信號發生器在內部使用。PWM信 號發生器有兩種工作模式單增模式和增減模式。單增模式下周期計數器從O累 加到周期設定值后清O再重新累加。增減模式下周期計數器從O累加到周期設 定值后再遞減到O。顯然兩種模式下相同參數條件下，占空比相等而單增模式 下的頻率是增減模式下的2倍。增減模式輸出波形左右對稱，因此其諧波含量 較小。兩個模式下周期設定值及導通寬度只在周期計數器為O的時候加載。對照圖5，開關磁阻電機專用控制集成電路中斬波信號發生模塊分別對應 三相的斬波信號CHOPA、 CHOPB禾卩CHOPC。 CHOPx為高電平時加載斬波延 時設定值，斬波信號發生模塊輸出低電平要求輸出斬波。當CHOPx由高變低 后延時計數器開始遞減，減到O后輸出高電平完成斬波延時。因此實際斬波的 時間長度要大于設定的斬波延時計數值對應時間。如圖所示從T1到T2對應才 是斬波延時設定值，T0到T2是實際的斬波時間長度。斬波延時設定值在斬波 信號出現時加載。對照圖2，開關磁阻電機專用控制集成電路提供三路故障輸入ERRO、 ERR1和ERR2，低電平故障。當引腳上由高電平變為低電平時，故障信號處理模塊 鎖存這個信號，并使輸出6路功率管控制信號關斷。當引腳信號由故障狀態恢 復后，故障信號處理模塊仍然處于故障保持狀態，控制信號仍然不能輸出。 要從故障狀態鎖存狀態中恢復，必需通過SPI接口給芯片發送CLRERR指令清 除鎖存。另一種情況，故障狀態始終存在而芯片接收到CLRERR指令清除鎖存，這時芯片仍然保持不輸出，但故障狀態一旦恢復則芯片馬上可以輸出控制信 號。故障狀態及鎖存的故障狀態可以讀取STATUS參數得到。故障鎖存與輸入時鐘無關，即使輸入時鐘出現故障仍然可以鎖存故障保護 功率器件。但SPI通訊必須有正確的時鐘輸入保證，否則無法接收CLRERR指 令清除故障鎖存，發生故障后將不再輸出控制信號。開關磁阻電機專用控制集成電路(芯片)特征可以實現角度控制、電流 斬波控制、電壓PWM控制、兩步換相控制、角度控制功能，可處理10kHz的 位置信號(10MHz時鐘頻率，處理精度千分之一位置信號周期)，工作電壓2.7V 到5.5V，多種電流斬波形式，可編程斬波延時延時，兩路可編程PWM發生(一 路可輸出)，可編程兩步換相延時時間，3路功率保護信號輸入，輸出正負邏 輯可選，控制信號開漏輸出，最大24mA灌電流，SPI通訊接口。該芯片的功能設計采用"自頂向下"的設計方法，將該芯片所要實現的功能 逐層向下分解，最終分解到最底層模塊。按照數字集成電路的設計流程，運 用硬件描述語言Verilog HDL將具體的模塊功能轉化為對應的HDL代碼，通過 不斷的修改和驗證，最終完成開關磁阻電機專用控制集成電路的HDL代碼的 整體設計。再經過EDA軟件仿真、FPGA實驗驗證、ASIC邏輯綜合及仿真測試， 直到AISC版圖設計達到要求，最后基于標準單元ASIC自動化生成技術，進行 ASIC芯片設計，經過工廠流片，就得到該芯片的裸片。
權利要求
1、開關磁阻電機控制專用集成電路，其特征是SPI通訊管理模塊的第一輸出端接參數表的第一輸入端，SPI通訊管理模塊的第二輸出端接故障信號處理模塊的第一輸入端；斬波信號輸入模塊的輸出端接斬波信號發生模塊的輸入端；位置信號輸入模塊的第一輸出端接參數表的第二輸入端，位置信號輸入模塊的第二輸出端接角度控制信號計算與發生模塊的第一輸入端；故障信號輸入模塊的輸出端接故障信號處理模塊的第二輸入端；參數表的第一輸出端接第一DAPWM信號發生模塊的輸入端，參數表的第二輸出端接兩步換相延時信號發生模塊的輸入端，參數表的第三輸出端接PWM信號發生模塊的輸入端，參數表的第四輸出端接角度控制信號計算與發生模塊的第二輸入端；第一DAPWM信號發生模塊的輸出端輸出DAPWM信號，兩步換相延時信號發生器模塊的輸出端接信號綜合輸出模塊的第一輸入端，PWM信號發生模塊的輸出端接信號綜合輸出模塊的第二輸入端，斬波信號發生模塊器的輸出端接信號綜合輸出模塊的第三輸入端，角度控制信號計算與發生模塊的第一輸出端接信號綜合輸出模塊的第四輸入端，故障信號處理模塊的第一輸出端接信號綜合輸出模塊的第五輸入端，使能輸出端OE接信號綜合輸出模塊的第六輸入端，轉速計算器模塊的輸出端接參數表的第三輸入端，故障信號處理模塊的第二輸出端接參數表的第四輸入端，信號綜合輸出模塊的輸出端接控制信號輸出模塊的第一輸入端，控制信號輸出模塊的第二輸入端接邏輯電平輸出LOGC。
2、根據權利要求l所述的開關磁阻電機控制專用集成電路，其特征是所述 的電流斬波信號輸入模塊，其最大斬波延時2048/fclk，最小為l/fclk。
3、 根據權利要求l所述的開關磁阻電機控制專用集成電路，其特征是所述 的可改變延時長度的兩步換相延時信號發生器模塊，其最大延時長度2048/fclk，最小為l/fclk。
4、 根據權利要求l所述的開關磁阻電機控制專用集成電路，其特征是所述 的兩個可分別設定周期和占空比的PWM發生模塊，其中第一PWM發生模塊在 芯片內部使用最終可疊加在控制信號用于PWM調壓，第二PWM發生模塊通過 引DAPWM輸出可變化PWM信號，經過濾波處理后形成可變模擬量輸出用于 斬波限。
5、 根據權利要求l所述的開關磁阻電機控制專用集成電路，其特征是所述 的位置信號輸入模塊，由位置信號輸入、周期計數器、周期平均值計算、角 度延時計算、導通延時計算、觸發源選擇、角度控制輸出、轉速計算模塊組 成，采用硬件電路實現角度的調節，其實現的方法如下位置信號的周期計 數器分別計數每相位置信號兩次上(下)跳沿之間的時鐘數，得到位置信號 周期值，壓入周期平均值計算器的FIFO隊列中，經過平均后得到位置信號的 平均周期；角度延時計算模塊和導通延時計算模塊根據位置信號及位置信號 周期平均值計算電機的開通延時計數值和導通延時計數值，實現開關磁阻電 機控制角度的實時調節。
6、 根據權利要求l所述的開關磁阻電機控制專用集成電路，其特征是；電 流斬波信號輸入模塊有多種斬波形式斬上管、斬下管、斬雙管和輪波斬單 管，將控制信號與三相電流斬波信號、內部PWM信號、兩步換相延時信號按 選定的斬流形式綜合后輸出到6個控制輸出引腳，輸出引腳為開漏設計最大允 許灌電流為24mA，后級直接接驅動光耦電流要求較大的器件，通過LOGC引 腳選擇輸出控制為正邏輯或反邏輯。
全文摘要
本發明是開關磁阻電機控制專用集成電路，其結構是主要包括可改變斬波延時長度的三相電流斬波模塊、可改變延時長度的兩步換相模塊、兩個可分別設定周期和占空比的PWM發生模塊、位置角度控制信號計算和發生功能模塊。優點開關磁阻電機角度控制通過全硬件的專用集成電路來完成，具體的閉環控制仍由微處理器來實現，使得對微處理器的性能要求大為降低，可適用于寬的轉速范圍，特別是高速及超高速領域，且具有較強的抗干擾能力，避免編寫位置解算軟件，提高了系統的可靠性。本集成電路還集成了故障保護、電流斬波、SPI通訊管理等常用控制模塊，可進一步降低控制器的硬件成本和開發成本，簡化開關磁阻電機控制器的復雜程度，提高系統工作的穩定性和可靠性。
文檔編號H02P6/00GK101227161SQ20071019169
公開日2008年7月23日 申請日期2007年12月14日 優先權日2007年12月14日
發明者闖 劉, 曹志亮, 朱學忠, 蔣冬青 申請人:南京航空航天大學