姚 勤，李定華，黃宇峰，王 濤

(1.中國人民解放軍海軍 駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海201109;中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

隨著電子技術(shù)發(fā)展，無刷直流電動機以其維護性好、效率高、體積小、控制特性好等優(yōu)點［1］，在工業(yè)、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。

本文介紹了一種無刷直流電動機以及利用鎖相環(huán)(PLL)實現(xiàn)電機穩(wěn)速控制的系統(tǒng)，對無刷直流電動機提出了設(shè)計思路和實物介紹。控制方案采用電機控制專用芯片作為控制單元，根據(jù)無刷直流電動機三相六狀態(tài)特性進行控制，并能夠通過硬件實現(xiàn)鎖相環(huán)穩(wěn)速功能，最后通過試驗與系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)對比，驗證了方案的可行性和穩(wěn)定性。

1 無刷直流電動機及驅(qū)動器設(shè)計

1.1 無刷直流電動機系統(tǒng)總體設(shè)計

無刷直流電動機在電氣結(jié)構(gòu)上可表征為三相六狀態(tài)，通常根據(jù)這個特性實現(xiàn)電機控制。電機中位置傳感器將位置信號轉(zhuǎn)換成電信號傳送給控制芯片的位置檢測單元，經(jīng)控制芯片處理，由控制芯片按照計算結(jié)果控制逆變電路中的功率元件的通斷，就可以得到所需要的PWM 波形［2］，進而實現(xiàn)控制電動機。為實現(xiàn)電動機的穩(wěn)速要求，控制器中加入鎖相環(huán)和電流反饋。電機系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 無刷直流電動機系統(tǒng)框圖

1.2 無刷直流電動機

選用電機要求響應(yīng)快，高速下狀態(tài)穩(wěn)定，試驗中選用分裝結(jié)構(gòu)扁平式內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電動機。該電機霍爾元件采用內(nèi)嵌式設(shè)計，分別嵌入定子鐵心中，這種結(jié)構(gòu)更緊湊，且不影響感應(yīng)效果。定子下安裝電路板，引出霍爾電源、霍爾信號以及繞組驅(qū)動電壓線。電機定子及霍爾元件如圖2 所示。

圖2 電機定子、霍爾實物圖

1.3 驅(qū)動器

電機工作時，控制器的邏輯換相單元接收霍爾元件輸出的電機轉(zhuǎn)子位置信號，根據(jù)時序確定三相全橋的通電邏輯，邏輯信號再與控制電機的脈寬調(diào)制PWM 信號合成后輸入全橋驅(qū)動電路，控制相應(yīng)MOSFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而決定電機的某兩相繞組通電及通電方向，實現(xiàn)電機的邏輯控制;同時，控制器通過鎖相環(huán)和電流反饋實現(xiàn)電機穩(wěn)速控制。

1.3.1 控制單元設(shè)計

無刷直流電動機控制單元可選用DSP 或?qū)Ｓ秒姍C控制芯片。DSP 可使用軟件編程實現(xiàn)鎖相環(huán)控制，但是芯片成本高，軟件編譯增加操作難度，所以適用于一些電機系統(tǒng)要求復(fù)雜的場合。電機專用控制芯片可分為集成鎖相環(huán)功能和未集成鎖相環(huán)功能。使用未集成鎖相環(huán)功能芯片時，需借助其他輔助芯片完成鎖相環(huán)功能。試驗中發(fā)現(xiàn)，使用未集成鎖相環(huán)功能的芯片，電機的穩(wěn)速時間過長，系統(tǒng)的反應(yīng)時間不理想。LV281 是一種集成鎖相環(huán)功能的電機專用控制芯片，內(nèi)部集成電路包括FG 放大器、積分放大器等，其響應(yīng)速度快，穩(wěn)速性能好，外圍電路設(shè)計簡單，操作簡便，不需要軟件編程。采用這種芯片是一種高效可靠的控制解決方案。

圖3 是控制芯片外圍電路設(shè)計。該芯片可以實現(xiàn)啟動/停止(S/S)、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)(F/R)、電流反饋(RF)、PWM 頻率設(shè)定(CR)功能。第15 管腳RF 信號實現(xiàn)電流反饋，起到限流作用;管腳25 ～30 為霍爾信號接收管腳，這6 個管腳接收霍爾信號后將信號放大傳送到邏輯運算單元，經(jīng)邏輯運算單元處理的信號被送到前級驅(qū)動單元，經(jīng)處理的信號通過管腳18 ～23 以PWM 形式輸出，連接到后級驅(qū)動單元驅(qū)動電動機。

圖3 控制部分原理圖

1.3.2 驅(qū)動單元設(shè)計

電機驅(qū)動采用三相六狀態(tài)的全橋驅(qū)動，方波形式，驅(qū)動部分電路圖如圖4 所示。三相全橋采用6個MOSFET 實現(xiàn)，這樣可以有足夠的功率裕量，并確保功率部分的散熱問題不需考慮。另外，用了6個N 溝道MOSFET 后，為解決上橋臂的驅(qū)動，配用三片單橋驅(qū)動電路IR2103S。

全橋驅(qū)動電路在非常低的頻率下或電機堵轉(zhuǎn)時上橋臂自舉不能正常工作，而控制芯片自帶的脈寬調(diào)制PWM 信號的占空比在約95%以下，從而自舉電容有時間進行充電而不是一直工作在放電狀態(tài)，這樣可以保證起動成功率100%。

本方案采用IR2103 驅(qū)動功率元件。功率元件選用型號為IRF7341 的場效應(yīng)管，該元件VDG=55 V，ID=4.7 A，功率電壓為28.5 V，最大電流4 A，能夠滿足設(shè)計電機的要求。

1.3.3 控制電路的穩(wěn)速單元

鎖相環(huán)技術(shù)也稱自動相位控制，它可以跟蹤輸入信號相位的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，鎖相環(huán)可以實現(xiàn)數(shù)字信號同步［3－4］。電機的穩(wěn)速通過鎖相環(huán)(PLL)及PID 調(diào)節(jié)兩個環(huán)節(jié)來實現(xiàn)，流程如下:(1)表征電機轉(zhuǎn)速的FG 信號先送入比較器后整形輸出，與標(biāo)準(zhǔn)的晶振分頻形成的基頻信號一起送入鎖頻鑒相環(huán)節(jié)PLL 進行頻率鎖定。每兩個FG 周期速度鑒別器電路輸出一個誤差信號;每個FG 周期PLL 電路輸出一個相位誤差信號。頻率鎖定時，鎖相環(huán)輸出穩(wěn)定到某一基量之上。此后再將FG 信號與基頻信號的相差比例調(diào)節(jié)到這一基量之上，作為鎖相環(huán)的最終輸出。

(2)PLL 環(huán)節(jié)的輸出在經(jīng)過一個PID 環(huán)節(jié)形成一個模擬量，這個模擬量再與一固定頻率的三角波信號一同送入比較器比較，即形成控制電機的脈沖調(diào)制PWM 信號。PWM 信號與全橋驅(qū)動邏輯信號相“與”后再送至后級的全橋驅(qū)動電路。

與普通只使用速度鑒別器電路的速度控制方法相比，使用PLL 電路和速度鑒別器電路相結(jié)合，對于負載有大變化的電動機控制，穩(wěn)速效果得到改善。電動機的速度是由FG 脈沖計數(shù)和晶體振蕩器頻率fOSC設(shè)定的，F(xiàn)G 伺服頻率:

為實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速17 100 r/min，選用頻率為4.669 44 MHz 的晶體振蕩器。

2 試驗結(jié)果

試驗中對驅(qū)動器的電壓、電流、轉(zhuǎn)速以及信號波形進行監(jiān)測，通過示波器可以觀察電機一路霍爾信號波形，可通過這路信號對速度進行分析。試驗平臺如圖5 所示。

圖5 電機及控制器試驗平臺

電機轉(zhuǎn)速信號波形如圖6 所示，從圖6 中可以看到電機起動到穩(wěn)定時間約為0.4 s，該響應(yīng)時間能夠滿足一般系統(tǒng)要求。穩(wěn)定工作后，電機運行情況平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速波動范圍小。

圖6 電機轉(zhuǎn)速信號波形

電機設(shè)計運行參數(shù)與試驗參數(shù)如表1 所示。試驗中電機轉(zhuǎn)速17 099 ～17 102 r/min，滿足設(shè)計要求17 100 ×(1 ±1%)r/min，波動小于1%，能夠達到穩(wěn)速要求。起動電流和穩(wěn)速電流均小于設(shè)計上限，在驅(qū)動器正常工作范圍內(nèi)。

表1 電機設(shè)計運行參數(shù)與試驗參數(shù)

圖7 顯示一路霍爾信號周期變化，圖中每一橫格為10 μs，波形波動沒有超過兩格，周期變化Δt =20 μs，小于設(shè)計上限40 μs，霍爾信號周期波動在設(shè)計允許范圍，由于霍爾信號與電機轉(zhuǎn)速相關(guān)，說明電機運行狀態(tài)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速波動小。

圖7 霍爾信號周期變化

3 結(jié) 語

通過試驗可以看出，利用電機控制專用芯片，根據(jù)無刷直流電動機的三相六狀態(tài)，通過鎖相環(huán)實現(xiàn)穩(wěn)速的無刷直流穩(wěn)速電機控制方案起動快、穩(wěn)速精度高、可靠性好，能夠簡單高效地實現(xiàn)無刷直流電動機的穩(wěn)速控制。

［1］ 吳曄.光學(xué)制導(dǎo)系統(tǒng)雷達伺服系統(tǒng)執(zhí)行電機的選擇［J］. 制導(dǎo)與引信，1997，(3):47－49.

［2］ 王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù)［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［3］ 薛峰，吳捷.鎖相技術(shù)在電機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用概述［J］.微電機，1999，(3):26－29，32.

［4］ 狄京，張申，樊體峰.鎖相環(huán)電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的研究［J］. 工礦自動化，2002，(1):12－14.