金沁

摘要：無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）因?yàn)榭煽啃愿?，維護(hù)便利、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，遍及于大功率開(kāi)關(guān)器件的應(yīng)用之中，并與專用集成電路、新型控制理論及電機(jī)理論的成長(zhǎng)緊密連系，體現(xiàn)著當(dāng)今科學(xué)的許多最新成效，因此具有廣泛的應(yīng)用前景和強(qiáng)大的生命力。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路部分與數(shù)字控制部分相比較，為伺服控制系統(tǒng)中的重要組成部分，驅(qū)動(dòng)電路是主控芯片與直流無(wú)刷電機(jī)聯(lián)結(jié)的紐帶。因而，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的性能將直接影響到該系統(tǒng)的整體性能和可靠性。本文就對(duì)直流電機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)行分析和探討。

關(guān)鍵詞：直流電機(jī);設(shè)計(jì);優(yōu)化

1直流無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)

直流無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁體和鐵心組成，有內(nèi)嵌式和凸極式兩種結(jié)構(gòu)，定子由鋼片和電樞繞組組成，通過(guò)位置傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子相對(duì)位置。位置傳感器有光電式、電磁式和霍爾式三種。其中，霍爾式位置傳感器因其性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用最廣泛。通過(guò)直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行高性能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，常用三相全橋驅(qū)動(dòng)，以星形連接電機(jī)為例，原理圖如圖2 所示。采用兩兩導(dǎo)通模式，即三相六狀態(tài)120° 導(dǎo)通模式，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ MOSFET，以下簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)管） 導(dǎo)通順序?yàn)椋?V1、V2， V2、V3，V3、V4，V4、V5，V5、V6，V6、V1。每只開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電角度120°，每個(gè)時(shí)刻有兩只開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，每60° 電角度開(kāi)關(guān)管換相一次，使定子電樞產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。直流無(wú)刷電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序相反。

2直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)

關(guān)于直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以當(dāng)前在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用情況來(lái)看，基本上集中體現(xiàn)在對(duì)轉(zhuǎn)速的控制層面上，簡(jiǎn)單一點(diǎn)講，就是指直流無(wú)刷電機(jī)在工作運(yùn)行的全過(guò)程，核心環(huán)節(jié)還是在于檢測(cè)控制系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速，強(qiáng)化對(duì)功率管的控制，主要是為了保護(hù)電機(jī)電路，比如過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等。在現(xiàn)實(shí)工業(yè)實(shí)踐應(yīng)用中，直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)可以歸納總結(jié)為兩方面內(nèi)容：①控制器轉(zhuǎn)變應(yīng)用技術(shù)。直流無(wú)刷電機(jī)控制器，在早期發(fā)展階段，其基本形式構(gòu)造主要還是表現(xiàn)為模擬控制器。進(jìn)入到21 世紀(jì)以來(lái)，尤其是最近幾年，隨著數(shù)字化電機(jī)控制器設(shè)備及相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域電機(jī)模擬和控制系統(tǒng)操作方面，也變得更加的簡(jiǎn)單，并且這種技術(shù)設(shè)備本身就非常實(shí)用，物美價(jià)廉。但是受到技術(shù)層面、經(jīng)濟(jì)投入的限制，模擬化電機(jī)控制系統(tǒng)也有許多不足之處，最主要的一點(diǎn)就是抗干擾能力較差，幾乎不可重復(fù)利用。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在新一輪的技術(shù)研發(fā)方向上，直流無(wú)刷電機(jī)也逐漸由現(xiàn)代化的軟件程序代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，其中，控制系統(tǒng)所運(yùn)用的理論就是現(xiàn)代控制理論。②處理器轉(zhuǎn)變應(yīng)用技術(shù)。當(dāng)前，在我國(guó)國(guó)內(nèi)電機(jī)控制處理器及其技術(shù)研究領(lǐng)域，用于電機(jī)控制的處理一般包括以下三種技術(shù)形式，分別包括有微處理器、專用集成電路、現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理器等。其中，微處理器在實(shí)踐應(yīng)用中，對(duì)于直流無(wú)刷電機(jī)在控制方面，無(wú)論是控制精度還是控制速度，都已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)與家用電器中人們的實(shí)際需求;而專用集成電路主要適用于那些對(duì)控制性能標(biāo)準(zhǔn)要求不高的電機(jī)，這種控制方法下設(shè)計(jì)出來(lái)的電路總體上相對(duì)簡(jiǎn)單，也比較實(shí)用?；谏鲜鲫P(guān)于現(xiàn)階段我國(guó)國(guó)內(nèi)直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀的闡述， 重點(diǎn)提出大家普遍使用的現(xiàn)代DSP 來(lái)進(jìn)一步解決工業(yè)生產(chǎn)及生活中人們對(duì)電機(jī)控制性能的技術(shù)要求。

3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，REPMM 為電動(dòng)機(jī)本體，HA，HB，HC 為轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)產(chǎn)生的霍爾信號(hào)， 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)的信號(hào)（HA、HB、HC）進(jìn)行邏輯變換，即傳送到電路里的為數(shù)字信號(hào)，從而產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)PWM，經(jīng)過(guò)放大處理后傳送至逆變器的功率開(kāi)關(guān)，從而控制電機(jī)按一定順序正常進(jìn)行工作。

3.1 基于FAN73892 的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

FAN73892 是單片三相半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)用于高壓、高速驅(qū)動(dòng)MOSFET 的工作頻率高達(dá)600 V。同時(shí)也是中小容量的功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）功率器件專用柵極驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò)自舉電路工作原理，縮減MOSFET 的開(kāi)關(guān)時(shí)間，有助于盡量降低開(kāi)關(guān)損耗，改善功率密度，提升整體轉(zhuǎn)換效率。它可以驅(qū)動(dòng)橋式電路的低壓側(cè)的功率器件，可以驅(qū)動(dòng)高側(cè)電源組件， 因此它被廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、UPS 電源等。無(wú)刷直流電機(jī)采用三相橋式逆變電路，正常情況下需要四組獨(dú)立電源， 這使驅(qū)動(dòng)電路變得較為復(fù)雜，導(dǎo)致逆變器的可靠性降低，采用國(guó)外一家公司生產(chǎn)的專用芯片F(xiàn)AN73892，這款芯片只需一個(gè)供電電源便可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路的6 個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，使得驅(qū)動(dòng)電路變得簡(jiǎn)單可靠。

3.2 MOSFET 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

對(duì)于現(xiàn)在傳統(tǒng)的三相直流無(wú)刷電機(jī)， 一般采用三相六狀態(tài)，120 度導(dǎo)通方式，其換相電路開(kāi)關(guān)器件采用MOSFET 器件， 開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)需要獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，且供電電源相互隔離。6 只MOSFET 功率管作為開(kāi)關(guān)器件使用，構(gòu)成三相橋式結(jié)構(gòu)。若是將他們根據(jù)一定的組合方法和頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)，則能對(duì)三相無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

功率MOSFET 系統(tǒng)采用三相六狀態(tài)的控制方法， 由于每周的運(yùn)動(dòng)需經(jīng)歷六次換相， 每一相都有一個(gè)上橋臂和一個(gè)下橋臂為導(dǎo)通狀態(tài)，但每一對(duì)上下管不能同時(shí)導(dǎo)通，否則相當(dāng)于電源短路。這六相分別為：Q1+Q6，Q3+Q6，Q3+Q2，Q5+Q2，Q5+Q4，Q1+Q4。在每一個(gè)階段，根據(jù)不同的功率MOSFET 的導(dǎo)通， 電流在電機(jī)中不同的方向流經(jīng)不同的線圈，不斷的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，從而推動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

由于MOSFET 管承受短時(shí)過(guò)載能力比較小，特別在高頻的應(yīng)用場(chǎng)合， 必須對(duì)功率MOSFET 管設(shè)計(jì)合理的保護(hù)電路，以便提高器件的可靠性。對(duì)功率MOSFET 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)時(shí)，首先，采用MOS 驅(qū)動(dòng)器的輸出與MOS 管之間串聯(lián)電阻的方法，避免在功率管在導(dǎo)通和快速關(guān)閉時(shí)， 由于漏極電壓的震蕩頻率造成的di/dt 過(guò)高而誤導(dǎo)通的現(xiàn)象。R4～R9是MOSFET 的門極驅(qū)動(dòng)電阻。其次，MOS管柵極可以采用并聯(lián)電阻的方式來(lái)釋放柵極電荷，防止柵源極之間過(guò)電壓。為了防止漏源極之間過(guò)電壓，通常采用C 緩沖電路等保護(hù)措施。設(shè)計(jì)MOSFET保護(hù)電路，I_SEN 信號(hào)為MOSFET 上獲取的電流信號(hào)， 當(dāng)電流過(guò)大或者發(fā)生短路時(shí)，I_SEN會(huì)迅速增加并超過(guò)額定值，造成MOSFET 器件燒毀。因此增加了MOSFET 的電路保護(hù)電路，經(jīng)過(guò)U5（放大器），轉(zhuǎn)換為電壓保護(hù)電路。

4直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)層面，重點(diǎn)圍繞著控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行。在程序設(shè)計(jì)上，所涉及到的重要部分包括有直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)、電機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部SVPWM 程序設(shè)計(jì)、電機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部中斷程序設(shè)計(jì)等，在上述程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，電機(jī)控制系統(tǒng)功能的發(fā)揮主要得益于中斷程序子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。關(guān)于直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主程序流程，具體呈現(xiàn)為“開(kāi)始———DSP 及各模塊初始化———DSP 自檢———轉(zhuǎn)子磁極位置采樣———轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算———定 子 電 流 采 樣———電 流 濾 波———Clarke 變 換———Park 變換———電流調(diào)節(jié)———Park 逆變換———Svpwm 控制”。

結(jié)語(yǔ)

隨著半導(dǎo)體工業(yè)的快速發(fā)展，直流無(wú)刷電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。直流無(wú)刷電機(jī)具有效率高、大扭矩、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、汽車電子和家用電器等領(lǐng)域。與直流有刷電機(jī)相比，直流無(wú)刷電機(jī)沒(méi)有“電刷”結(jié)構(gòu)，傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，通過(guò)電子換向器替代機(jī)械換向器實(shí)現(xiàn)電樞換相，因此直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)較直流有刷電機(jī)復(fù)雜。為方便進(jìn)行電機(jī)控制信號(hào)采集，并減小體積，可將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路集成于直流無(wú)刷電機(jī)本體。分析直流無(wú)刷電機(jī)常用速度、扭矩和位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，使用串級(jí)PID 控制方法指導(dǎo)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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