劉毅東，楊旭，劉海軍

（成都市技師學(xué)院/成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611743）

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及消費(fèi)電子產(chǎn)品的普及，直流有刷電機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。針對(duì)新能源汽車以及相關(guān)設(shè)備的智能化發(fā)展，直流有刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及其調(diào)速技術(shù)成為了研究重點(diǎn)。在充分了解電機(jī)的主要組成和工作原理基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)其驅(qū)動(dòng)與調(diào)速硬件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，才能充分發(fā)揮直流有刷電機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

1 概述

典型的直流有刷電機(jī)由固定部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分組成。固定部分包括主磁極和電刷。轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括換向片以及環(huán)形鐵芯上圍繞的繞組線圈。運(yùn)行過(guò)程中，其定子上的勵(lì)磁繞組有直流電流If通過(guò)，即產(chǎn)生一個(gè)恒定的勵(lì)磁磁場(chǎng)。將直流電源加至電刷兩端，將線圈接入并產(chǎn)生電流i，即在勵(lì)磁磁場(chǎng)B 中形成了一個(gè)載流導(dǎo)體，產(chǎn)生電磁力，從而為轉(zhuǎn)子線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力[1]。借助于電刷和換向器的作用，轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

2 技術(shù)分析

2.1 驅(qū)動(dòng)原理

基于直流有刷電機(jī)的基本工作原理，可將該電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置視作一個(gè)控制電路的開(kāi)關(guān)，所有具備開(kāi)關(guān)特征的電子元件都可用以此種電機(jī)的驅(qū)動(dòng)[2]。在直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，最典型的驅(qū)動(dòng)電路為H 橋電路，圖1 為H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路示意圖：

圖1 H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路示意圖

圖1 中，將A、D 控制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，B、C 關(guān)閉，電流從電機(jī)左側(cè)流向右側(cè)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)；將B、C 控制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，A、D 關(guān)閉，電流可從電機(jī)右側(cè)流向左側(cè)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2.2 電子元件

就目前而言，應(yīng)用在其中的主要驅(qū)動(dòng)電子元件有以下三種。

1）繼電器。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉；缺點(diǎn)是體積大、響應(yīng)頻率低、不利于調(diào)速、電流診斷不易。

2）三極管。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可調(diào)速；缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率低。

3）場(chǎng)效應(yīng)管。優(yōu)點(diǎn)是體積小、功能安全、開(kāi)關(guān)頻率高、調(diào)速容易、可進(jìn)行電流診斷；缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率一般、價(jià)格較高。

2.3 驅(qū)動(dòng)方案

一個(gè)完整的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，其主要的組成部分包括單片機(jī)（MCU）、橋驅(qū)（Bridge Driver）、電機(jī)、電源管理電路和信號(hào)接口電路等。由于電動(dòng)汽車對(duì)于直流無(wú)刷電機(jī)中的驅(qū)動(dòng)電路具有較大需求，而芯片行業(yè)也提出了單片機(jī)、橋驅(qū)和Mosfet 等多種分立器件的集成方案[3]。

按照集成程度的不同，此類電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案可分為三種。低度集成：?jiǎn)纹瑱C(jī)、橋驅(qū)和Mosfet 完全分立；中度集成：將橋驅(qū)和Mosfet集成至一個(gè)芯片中；高度集成：將單片機(jī)和橋驅(qū)集成至一個(gè)芯片。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)上述驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，如將橋驅(qū)和Mosfet 集成在同一芯片中，因芯片空間小，Mosfet 散熱不利，所以其電流驅(qū)動(dòng)能力較差。從安全角度來(lái)看，橋驅(qū)和Mosfet 集成方案具有最快的響應(yīng)速度和最高的電流檢測(cè)精度；從空間方面來(lái)看，完全分立形式的獨(dú)立方案將占用最大空間；從擴(kuò)展性方面來(lái)看，單片機(jī)和橋驅(qū)集成方案對(duì)可驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)量起到一定的限制作用，后續(xù)擴(kuò)展中，需要更換單片機(jī)，對(duì)軟件開(kāi)發(fā)產(chǎn)生較大的不利影響，因此其可擴(kuò)展性能較低。

經(jīng)對(duì)比分析可知，三個(gè)方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)均明顯存在。基于此，在實(shí)際的驅(qū)動(dòng)方案開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求來(lái)選擇合理的驅(qū)動(dòng)方案，并根據(jù)具體的方案進(jìn)行集成芯片的合理選擇。表1 為直流有刷電機(jī)三種主要驅(qū)動(dòng)方案條件下的集成芯片選擇建議。

表1 直流有刷電機(jī)三種主要驅(qū)動(dòng)方案條件下的集成芯片選擇建議

通過(guò)上述芯片的合理選擇與應(yīng)用，便可滿足不同驅(qū)動(dòng)方案下的直流有刷電機(jī)實(shí)際驅(qū)動(dòng)需求，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的良好驅(qū)動(dòng)。

3 調(diào)速技術(shù)

直流有刷電機(jī)的調(diào)速技術(shù)以其基本工作原理為依據(jù)，對(duì)其轉(zhuǎn)速做出科學(xué)計(jì)算。結(jié)合實(shí)際的調(diào)速控制需求，選擇合理的調(diào)速方法以確保調(diào)速效果。以下是對(duì)此類電機(jī)調(diào)速技術(shù)進(jìn)行的具體分析。

3.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速

電機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；U為電樞端電壓；R為電樞電路中的總電阻；K為電機(jī)結(jié)構(gòu)的相關(guān)常數(shù)； 為每極磁通量。

3.2 調(diào)速方法

1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速法。對(duì)電樞電壓U進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)電樞電壓的改變來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。此種方法具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，在大范圍無(wú)級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)中適用。

2）恒功率調(diào)速法。通過(guò)電機(jī)主磁通量 的改變來(lái)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，其磁路已接近飽和，所以在調(diào)速中，只能通過(guò)磁通量減弱的方式對(duì)額定轉(zhuǎn)速條件下的電機(jī)進(jìn)行變速。此種方法雖然能夠達(dá)到無(wú)級(jí)平滑調(diào)速效果，但其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，調(diào)速范圍較小。

3）有級(jí)調(diào)速法。改變電樞電路中的電阻R，通過(guò)電樞外串電阻的方式對(duì)直流有刷電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，此種方法只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，其平滑性較差，機(jī)械特性較軟，且效率較低[4]。

通過(guò)對(duì)比分析可知，電機(jī)主磁通量改變的調(diào)速方案不具備足夠大的調(diào)速范圍；電樞電路中電阻改變的調(diào)速方案具有更多缺點(diǎn)，上述兩種方法在目前的直流有刷電機(jī)調(diào)速應(yīng)用較少?；诖?，在對(duì)此類電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，主要將電樞電壓調(diào)節(jié)用作其自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的控制方案。在該方案條件下，最常用的方法是采用寬脈調(diào)制法（PWM）改變電樞電壓，以此進(jìn)行電機(jī)調(diào)速控制。即將恒定電壓和電流調(diào)速制成具有一定頻率且寬度可變形式的脈沖電壓序列，其中的頻率以及占空比是重要控制參數(shù)。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，通過(guò)該方案對(duì)負(fù)載相同的直流有刷電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越大。

4 設(shè)計(jì)案例

基于上述研究，對(duì)一種應(yīng)用在新能源汽車的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)和調(diào)速控制硬件方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。在該硬件系統(tǒng)中，處理器為R5F2134CYKEP 型單片機(jī)，主要包括Mosfet H 橋電路、全橋預(yù)驅(qū)芯片、MLX90316 型傳感器芯片和NCV4263 型電源管理芯片等。其中，R5F2134CYKEP 型單片機(jī)為瑞薩電子公司新型芯片，該芯片功率低，抗干擾能力強(qiáng)，內(nèi)部由PWM 模塊集成，產(chǎn)生的PWM 方波可充分滿足該硬件系統(tǒng)的實(shí)際控制需求。在正常工作狀態(tài)下，該單片機(jī)的電壓為5 V。

新能源汽車中的整車電瓶電壓為12 V，在具體設(shè)計(jì)中，需要應(yīng)用降壓芯片以滿足R5F2134CYKEP 型單片機(jī)的實(shí)際供電需求。在該系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，主要將LDO 型集成芯片作為核心，對(duì)其電源管理電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，整車選擇VBAT 電瓶，其電壓輸出值為12 V，降壓處理選擇VCC 型芯片。通過(guò)降壓芯片對(duì)LDO電瓶進(jìn)行降壓處理后，可將電壓輸出值控制在5 V。在直流有刷電機(jī)的預(yù)驅(qū)動(dòng)電路中，核心組成部分是全橋預(yù)驅(qū)芯片，該芯片可以為三路全橋PWM 調(diào)速驅(qū)動(dòng)提供支持[5]。整體電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由四個(gè)Mosfet 搭建，因其電路形狀與字母H 相似，也稱H 橋驅(qū)動(dòng)電路。

在該硬件系統(tǒng)的具體應(yīng)用中，借助于單片機(jī)，可實(shí)現(xiàn)PWM 信號(hào)生成；借助于預(yù)驅(qū)電路，可對(duì)PWM 信號(hào)進(jìn)行放大處理，為Mosfet 開(kāi)關(guān)的通斷提供驅(qū)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)直流有刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，有效控制其旋轉(zhuǎn)速度。通過(guò)這樣的方式，可為直流有刷電機(jī)提供良好的驅(qū)動(dòng)與調(diào)速控制，滿足實(shí)際應(yīng)用需求，促進(jìn)新能源汽車及相關(guān)設(shè)備與智能控制技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用將直接關(guān)系到電機(jī)本身的應(yīng)用效果及其使用性能，從而對(duì)新能源汽車的電動(dòng)化與智能化應(yīng)用和發(fā)展起到關(guān)鍵作用?；诖耍趯?duì)此類電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用的過(guò)程中，相關(guān)單位、研究者和技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合此類電機(jī)的實(shí)際情況與應(yīng)用需求，為其選擇有針對(duì)性的驅(qū)動(dòng)方案以及調(diào)速控制方案。