江振鋒，李鑫，戴梅，蔣亞楠

（常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

三相無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

江振鋒，李鑫，戴梅，蔣亞楠

（常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

以TMS320F28335浮點(diǎn)型處理器為控制器，采用International Rectifier公司的IR2136作為驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)了三相無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)三相無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速及正反轉(zhuǎn)控制，其中包括電源模塊、信號(hào)隔離模塊、IR2136邏輯電路、三相全橋驅(qū)動(dòng)電路及過(guò)流保護(hù)電路等.

三相無(wú)刷直流電機(jī)；驅(qū)動(dòng)電路；IR2136；DSP

現(xiàn)代社會(huì)中，為了適應(yīng)不同的實(shí)際應(yīng)用，各種類型的電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，其中包括同步電機(jī)、異步電機(jī)、直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和各種其他類型的電機(jī)[1].相比之下，直流電機(jī)具有線性機(jī)械特性好、調(diào)速范圍寬、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大及控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).但傳統(tǒng)的直流電機(jī)易受電刷和換向器的限制，造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差等缺點(diǎn).隨著電力電子技術(shù)及功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，無(wú)刷直流電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，通過(guò)電子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，它不僅繼承了傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器的影響，使得它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù).本設(shè)計(jì)將TMS320F28335作為控制器，具有較高的信號(hào)處理和控制功能，并且TMS320F28335具有浮點(diǎn)運(yùn)算功能，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的智能控制算法，其上片載存儲(chǔ)容量大且支持存儲(chǔ)器擴(kuò)展，同時(shí)還具有豐富的外設(shè)資源，包括18個(gè)PWM輸出端口、16通道12位A/D轉(zhuǎn)換器、6個(gè)事件捕捉端口、2個(gè)正交編碼通道、多種串行端口外設(shè)模塊等，有利于整體系統(tǒng)的升級(jí)及擴(kuò)展.TI公司生產(chǎn)的C2000系DSP在電機(jī)控制中應(yīng)用較為廣泛.同時(shí)，采用IR公司的三相無(wú)刷直流電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)功率芯片IR2136，利用MOS?FET作為功率開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)三相全控橋式電路.驅(qū)動(dòng)電路能夠接收霍爾位置傳感器的信息，以此為換相依據(jù)，經(jīng)DSP處理后輸出6路PWM波，按一定的順序控制6個(gè)MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷.本文詳細(xì)介紹了三相無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，對(duì)電路中的關(guān)鍵元件進(jìn)行分析和選型，并且簡(jiǎn)要介紹了軟件設(shè)計(jì).

1 驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路原理框圖如圖1所示，主要包括信號(hào)調(diào)理與隔離部分、驅(qū)動(dòng)部分、三相全橋逆變部分和電流檢測(cè)部分.

1.2 電源模塊

本設(shè)計(jì)使用的三相無(wú)刷直流電機(jī)的型號(hào)是57BL-52-230，額定電壓為24 V，額定功率為60 W.而IR2136的工作電壓為15 V，信號(hào)隔離采用光耦元件，其工作電壓為5 V，DSP控制板已集成3.3 V與1.8 V穩(wěn)壓模塊，故只需5 V供電即可.采用TI公司的LM2596作為降壓芯片，如圖2所示，系統(tǒng)的電源輸入為24 V，可以直接提供給電機(jī)，而通過(guò)一個(gè)LM2596結(jié)合相應(yīng)的外部匹配電路，即可將電壓降到15 V，提供IR2136使用.使用另一塊LM2596，修改匹配電路之后即可將15 V電壓降為5 V，以供控制電路使用.

1.3 信號(hào)調(diào)理與隔離

電機(jī)的控制信號(hào)由DSP產(chǎn)生，頻率較高，同時(shí)DSP的工作電壓為3.3 V，工作電流也比較低，屬于弱電信號(hào)，而IR2136所處的電路為強(qiáng)電部分，直接連接會(huì)使得主回路的強(qiáng)電信號(hào)干擾控制回路中弱電信號(hào)，同時(shí)為了提高整個(gè)控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，因此需要采用光耦元件將控制回路與主回路隔離開(kāi)來(lái).本設(shè)計(jì)中采用的高速光耦6N137，信號(hào)隔離電路如圖3所示.光耦的使用保證了控制信號(hào)的單向傳遞，而且高速光耦6N137的傳輸速度為10 Mbit/S，而PWM波的頻率為20 KHz，因此完全能夠傳輸PWM.同時(shí)6N137內(nèi)部就有邏輯增益輸出的能力，而且其工作電壓為5 V，使得輸出的PWM的信號(hào)抬高到5 V，也增加了負(fù)載能力和抗干擾能力，完全符合IR2136的輸入端要求.

1.4 IR2136驅(qū)動(dòng)模塊

IR公司推出IR2136三相逆變器驅(qū)動(dòng)器集成電路系列，適用于變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì).新器件集成了6個(gè)MOS?FET或IGBT高電壓柵驅(qū)動(dòng)器，并融合多元化的保護(hù)功能.這些集成電路還有助于簡(jiǎn)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，可將驅(qū)動(dòng)電路的尺寸縮減一半.

自舉二極管和電容是僅在P WM應(yīng)用中要求嚴(yán)格的外接元件，在實(shí)際應(yīng)用中給Vcc電源加一退耦電容用于補(bǔ)償電源線的電感.自舉電容上的電壓僅為Vcc電源電壓.它的電容值由下列因素所決定[2-3]：

（1）用來(lái)增加MOS管的門(mén)極電壓；

（2）高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器電路的靜態(tài)電流Iqbs；

（3）IR2136內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換器的電流；

（4）MOS管的柵-源正向漏電流；

（5）自舉電容的漏電流（僅當(dāng)自舉電容為電解電容時(shí)有關(guān)）.

最小的自舉電容值可由下式求出[2]：

圖1 三相無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)電路框圖

圖2 電源模塊電路

圖3 信號(hào)隔離電路（1路）

其中：Qg——高壓側(cè)MOFET的柵極電荷；

F——工作頻率；

ICbs（leak）——自舉電容的漏電流；

Vf——自舉二極管的正向?qū)▔航担?/p>

VLS——低壓側(cè)或負(fù)載的壓降.

本設(shè)計(jì)中Qg=146 nC，Iqbs=300 mA，ICbs（leak）=0，f=20 K，Vcc=15 V，Vf=1.3 V，VLS=1.3 V，通過(guò)計(jì)算得到C=762 nF，因此自舉電容值應(yīng)大于762 nF，自舉電容的大小很重要，一般選擇時(shí)要大于計(jì)算所得值，如果選擇電容值較小，就會(huì)使高壓側(cè)輸出端輸出不正常，上橋臂的MOSFET不能正常導(dǎo)通，本設(shè)計(jì)中使用了4.7 μF的電容.自舉二極管必須承受住高壓側(cè)MOSFET導(dǎo)通時(shí)源極電壓，二極管的電流額定值是柵極電荷與頻率之積.自舉二極管的高溫反向漏電流特性對(duì)于那些電容在較長(zhǎng)時(shí)間需要保持電荷的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可能是一個(gè)重要的參數(shù).同樣，為了減小由自舉電容反饋進(jìn)電源的電荷數(shù)量，二極管應(yīng)選擇快恢復(fù)二極管[3].本設(shè)計(jì)中自舉二極管承受的反向電壓為39 V，考慮余量及峰值電壓的問(wèn)題，自舉二極管的反向耐壓值應(yīng)盡量偏大，因此本設(shè)計(jì)采用了快恢復(fù)二極管FR302，其反向峰值電壓為100 V，正向壓降為1.3 V，正向電流為3 A，反向恢復(fù)時(shí)間為150 ns.IR2136驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示[4-5].

1.5 三相全橋逆變模塊

逆變電路的作用是將直流電轉(zhuǎn)換為能夠驅(qū)動(dòng)三相無(wú)刷直流電機(jī)的三相交流電U、V和W.由于MOSFET的柵源極之間是容性結(jié)構(gòu)，需在柵源之間并聯(lián)一個(gè)大電阻，迅速的對(duì)寄生電容放電，不至于引起MOSFET的誤導(dǎo)通，導(dǎo)致上下橋臂直接導(dǎo)通.同時(shí)，需在柵極串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)大小的電阻，其原因?yàn)椋旱谝?，柵極回路存在寄生電感，與柵源之間的寄生電容會(huì)在脈沖的激勵(lì)下產(chǎn)生很強(qiáng)的振蕩，串聯(lián)一個(gè)電阻能使振蕩迅速衰減.第二，電容與電感都是無(wú)功器件，如果沒(méi)有柵極電阻，MOS管的溫度會(huì)上升很多.第三，柵極電阻可以調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)器件的通斷速度，使得開(kāi)關(guān)器件減少損耗的同時(shí)又能較好的抑制干擾.本設(shè)計(jì)中采用的MOSFET是IRF3205，額定電流為110 A，選擇柵極電阻為10 Ω.三相全控橋式電路如圖5所示[6-7].

1.6 電流采樣與過(guò)流保護(hù)

過(guò)流保護(hù)是為了使工作過(guò)程中電機(jī)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，關(guān)閉三相全橋逆變電路的MOS管，保護(hù)電機(jī)不至于燒壞.圖4中的R35就是簡(jiǎn)易電流傳感器，將母線電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由于母線電流并不是很大，采樣電阻也較小，所以COM端的電壓信號(hào)較小，經(jīng)過(guò)濾波、放大和隔離電路后將電壓信號(hào)送到DSP的AD采樣口.將采集到的電壓信號(hào)與程序設(shè)定的值比較，當(dāng)大于設(shè)定值時(shí)即當(dāng)作過(guò)流，然后是6路PWM口均輸出高電平，使得MOS管全部關(guān)斷，電機(jī)停止工作，從而保護(hù)電機(jī).HCNR200是一款線性度很高的光耦，可以將控制電路與驅(qū)動(dòng)電路隔開(kāi).電流采樣電路見(jiàn)圖6.

1.7 位置電路

圖4 IR2136驅(qū)動(dòng)電路

圖5 三相全控橋式電路

本設(shè)計(jì)采用的是帶位置傳感器的三相無(wú)刷直流電機(jī)，通過(guò)霍爾位置傳感器讀取相位信號(hào)，進(jìn)行電子換相.由于傳感器的輸出信號(hào)常常帶有一些干擾信號(hào)，所以在送入DSP的捕獲單元時(shí)需要將其進(jìn)行整形，在這里選用的是施密特觸發(fā)反相器74LS14，而74LS14的工作電壓為5 V，DSP的IO口電壓為3.3 V，此處采用了最簡(jiǎn)單的電阻分壓的方法，經(jīng)電阻分壓之后再將信號(hào)送入DSP的捕獲單元.如圖7所示.

圖6 電流采樣電路

2 軟件設(shè)計(jì)

基于TMS320F28335的三相無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件見(jiàn)圖8，系統(tǒng)軟件基本流程圖如圖9所示[7]，實(shí)際應(yīng)用中還需加上其他模塊.圖9（a）為主程序流程圖，包括系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O端口、看門(mén)狗、系統(tǒng)中斷等初始化以及變量初始化等.圖9（b）、（c）為中斷子程序流程圖，電機(jī)啟動(dòng)后，每當(dāng)霍爾傳感器讀取的信號(hào)發(fā)生改變時(shí)都會(huì)進(jìn)入捕捉中斷，調(diào)整PWM控制信號(hào)，確定MOSFET的導(dǎo)通順序.在定時(shí)中斷服務(wù)程序計(jì)算速度和速度PID控制，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的占空比.速度控制采用PID算法，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等特點(diǎn)，在實(shí)際工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛.

圖7 霍爾信號(hào)采集與濾波電路

圖8 三相無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

圖9 基本程序流程圖

3 結(jié)論

結(jié)合控制電路與電機(jī)，進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，利用串口將測(cè)量的轉(zhuǎn)速及誤差發(fā)送到PC機(jī)，利用matlab繪制波形，發(fā)送周期為0.5 ms.如圖10和11所示，開(kāi)始時(shí)設(shè)定轉(zhuǎn)速為零，過(guò)了1.2 s之后將轉(zhuǎn)速設(shè)定為1500 rad/s，通過(guò)matlab計(jì)算，超調(diào)量為5.2%，調(diào)節(jié)時(shí)間為1.1 s.在速度的控制上，性能良好.

本設(shè)計(jì)完成的三相無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)硬件電路，具有防直通、過(guò)流保護(hù)等功能.通過(guò)實(shí)際電路測(cè)試，完全能夠驅(qū)動(dòng)三相無(wú)刷直流電機(jī)，配合軟件設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、調(diào)速及過(guò)流保護(hù)的功能.該驅(qū)動(dòng)適用于低壓小功率的三相無(wú)刷直流電機(jī).

[1]夏長(zhǎng)亮.無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

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Design of Three-phase Brushless DC Motor Driver Circuit Based on DSP

JIANG Zhen-feng,LI Xin,DAI Mei,JIANG Ya-nan
(School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

By using IR2136(International Rectifier)to design a three-phase brushless DC motor driver circuit based on TMS320F28335 floating-point processor and implementing positive-negative rotating and speed con?trolling,this paper designs a driving circuit of the three-phase brushless DC motor,including power module,sig?nal isolation module,IR2136 logic circuit,driving circuit of the three-phase full bridge and over current protec?tion circuit,etc.

Three-phase Brushless DC Motor;driver circuit;IR2136;DSP

圖10 實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線

圖11 轉(zhuǎn)速誤差曲線

TP23

A

1008-2794（2013）04-0086-05

2013-03-28

李鑫，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：智能控制技術(shù)，E-mail：lixin_cx@163.com.