三相無刷直流電機調速系統(tǒng)的驅動設計

江振鋒，李鑫，戴梅，蔣亞楠

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500）

三相無刷直流電機調速系統(tǒng)的驅動設計

江振鋒，李鑫，戴梅，蔣亞楠

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500）

以TMS320F28335浮點型處理器為控制器，采用International Rectifier公司的IR2136作為驅動芯片，設計了三相無刷直流電機的驅動電路，實現(xiàn)三相無刷直流電機調速及正反轉控制，其中包括電源模塊、信號隔離模塊、IR2136邏輯電路、三相全橋驅動電路及過流保護電路等.

三相無刷直流電機；驅動電路；IR2136；DSP

現(xiàn)代社會中，為了適應不同的實際應用，各種類型的電機應運而生，其中包括同步電機、異步電機、直流電機、開關磁阻電機和各種其他類型的電機[1].相比之下，直流電機具有線性機械特性好、調速范圍寬、啟動轉矩大及控制簡單等優(yōu)點.但傳統(tǒng)的直流電機易受電刷和換向器的限制，造成結構復雜、可靠性差等缺點.隨著電力電子技術及功率半導體技術的發(fā)展，無刷直流電機得到了廣泛的應用，通過電子換向器取代了機械電刷和機械換向器，它不僅繼承了傳統(tǒng)直流電機的優(yōu)點，而且克服了機械電刷和機械換向器的影響，使得它的結構簡單，易于維護.本設計將TMS320F28335作為控制器，具有較高的信號處理和控制功能，并且TMS320F28335具有浮點運算功能，能夠實現(xiàn)復雜的智能控制算法，其上片載存儲容量大且支持存儲器擴展，同時還具有豐富的外設資源，包括18個PWM輸出端口、16通道12位A/D轉換器、6個事件捕捉端口、2個正交編碼通道、多種串行端口外設模塊等，有利于整體系統(tǒng)的升級及擴展.TI公司生產的C2000系DSP在電機控制中應用較為廣泛.同時，采用IR公司的三相無刷直流電機的專用驅動功率芯片IR2136，利用MOS?FET作為功率開關，設計三相全控橋式電路.驅動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DSP處理后輸出6路PWM波，按一定的順序控制6個MOSFET的導通和關斷.本文詳細介紹了三相無刷直流電機驅動電路的設計，對電路中的關鍵元件進行分析和選型，并且簡要介紹了軟件設計.

1 驅動電路硬件設計

1.1 總體方案設計

驅動電路原理框圖如圖1所示，主要包括信號調理與隔離部分、驅動部分、三相全橋逆變部分和電流檢測部分.

1.2 電源模塊

本設計使用的三相無刷直流電機的型號是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，而通過一個LM2596結合相應的外部匹配電路，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 信號調理與隔離

電機的控制信號由DSP產生，頻率較高，同時DSP的工作電壓為3.3 V，工作電流也比較低，屬于弱電信號，而IR2136所處的電路為強電部分，直接連接會使得主回路的強電信號干擾控制回路中弱電信號，同時為了提高整個控制系統(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來.本設計中采用的高速光耦6N137，信號隔離電路如圖3所示.光耦的使用保證了控制信號的單向傳遞，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6N137內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的信號抬高到5 V，也增加了負載能力和抗干擾能力，完全符合IR2136的輸入端要求.

1.4 IR2136驅動模塊

IR公司推出IR2136三相逆變器驅動器集成電路系列，適用于變速電機驅動器設計.新器件集成了6個MOS?FET或IGBT高電壓柵驅動器，并融合多元化的保護功能.這些集成電路還有助于簡化電機驅動器設計，可將驅動電路的尺寸縮減一半.

自舉二極管和電容是僅在P WM應用中要求嚴格的外接元件，在實際應用中給Vcc電源加一退耦電容用于補償電源線的電感.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）用來增加MOS管的門極電壓；

（2）高壓側驅動器電路的靜態(tài)電流Iqbs；

（3）IR2136內部電平轉換器的電流；

（4）MOS管的柵-源正向漏電流；

（5）自舉電容的漏電流（僅當自舉電容為電解電容時有關）.

最小的自舉電容值可由下式求出[2]：

圖1 三相無刷直流電機控制系統(tǒng)電路框圖

圖2 電源模塊電路

圖3 信號隔離電路（1路）

其中：Qg——高壓側MOFET的柵極電荷；

F——工作頻率；

ICbs（leak）——自舉電容的漏電流；

Vf——自舉二極管的正向導通壓降；

VLS——低壓側或負載的壓降.

本設計中Qg=146 nC，Iqbs=300 mA，ICbs（leak）=0，f=20 K，Vcc=15 V，Vf=1.3 V，VLS=1.3 V，通過計算得到C=762 nF，因此自舉電容值應大于762 nF，自舉電容的大小很重要，一般選擇時要大于計算所得值，如果選擇電容值較小，就會使高壓側輸出端輸出不正常，上橋臂的MOSFET不能正常導通，本設計中使用了4.7 μF的電容.自舉二極管必須承受住高壓側MOSFET導通時源極電壓，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于那些電容在較長時間需要保持電荷的應用來說，可能是一個重要的參數(shù).同樣，為了減小由自舉電容反饋進電源的電荷數(shù)量，二極管應選擇快恢復二極管[3].本設計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題，自舉二極管的反向耐壓值應盡量偏大，因此本設計采用了快恢復二極管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，反向恢復時間為150 ns.IR2136驅動電路如圖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換為能夠驅動三相無刷直流電機的三相交流電U、V和W.由于MOSFET的柵源極之間是容性結構，需在柵源之間并聯(lián)一個大電阻，迅速的對寄生電容放電，不至于引起MOSFET的誤導通，導致上下橋臂直接導通.同時，需在柵極串聯(lián)一個適當大小的電阻，其原因為：第一，柵極回路存在寄生電感，與柵源之間的寄生電容會在脈沖的激勵下產生很強的振蕩，串聯(lián)一個電阻能使振蕩迅速衰減.第二，電容與電感都是無功器件，如果沒有柵極電阻，MOS管的溫度會上升很多.第三，柵極電阻可以調節(jié)開關器件的通斷速度，使得開關器件減少損耗的同時又能較好的抑制干擾.本設計中采用的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 電流采樣與過流保護

過流保護是為了使工作過程中電機出現(xiàn)過流時，關閉三相全橋逆變電路的MOS管，保護電機不至于燒壞.圖4中的R35就是簡易電流傳感器，將母線電流信號轉換為電壓信號，由于母線電流并不是很大，采樣電阻也較小，所以COM端的電壓信號較小，經過濾波、放大和隔離電路后將電壓信號送到DSP的AD采樣口.將采集到的電壓信號與程序設定的值比較，當大于設定值時即當作過流，然后是6路PWM口均輸出高電平，使得MOS管全部關斷，電機停止工作，從而保護電機.HCNR200是一款線性度很高的光耦，可以將控制電路與驅動電路隔開.電流采樣電路見圖6.

1.7 位置電路

圖4 IR2136驅動電路

圖5 三相全控橋式電路

本設計采用的是帶位置傳感器的三相無刷直流電機，通過霍爾位置傳感器讀取相位信號，進行電子換相.由于傳感器的輸出信號常常帶有一些干擾信號，所以在送入DSP的捕獲單元時需要將其進行整形，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，此處采用了最簡單的電阻分壓的方法，經電阻分壓之后再將信號送入DSP的捕獲單元.如圖7所示.

圖6 電流采樣電路

2 軟件設計

基于TMS320F28335的三相無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件見圖8，系統(tǒng)軟件基本流程圖如圖9所示[7]，實際應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)時鐘、I/O端口、看門狗、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，電機啟動后，每當霍爾傳感器讀取的信號發(fā)生改變時都會進入捕捉中斷，調整PWM控制信號，確定MOSFET的導通順序.在定時中斷服務程序計算速度和速度PID控制，計算出對應的占空比.速度控制采用PID算法，其具有結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便等特點，在實際工業(yè)中應用十分廣泛.

圖7 霍爾信號采集與濾波電路

圖8 三相無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件實物圖

圖9 基本程序流程圖

3 結論

結合控制電路與電機，進行實際測試，利用串口將測量的轉速及誤差發(fā)送到PC機，利用matlab繪制波形，發(fā)送周期為0.5 ms.如圖10和11所示，開始時設定轉速為零，過了1.2 s之后將轉速設定為1500 rad/s，通過matlab計算，超調量為5.2%，調節(jié)時間為1.1 s.在速度的控制上，性能良好.

本設計完成的三相無刷直流電機控制系統(tǒng)的驅動硬件電路，具有防直通、過流保護等功能.通過實際電路測試，完全能夠驅動三相無刷直流電機，配合軟件設計能夠實現(xiàn)電機正反轉、調速及過流保護的功能.該驅動適用于低壓小功率的三相無刷直流電機.

[1]夏長亮.無刷直流電機控制系統(tǒng)[M].北京：科學出版社，2009.

[2]International Rectifier.應用指南AN-978高壓懸浮門驅動IC.International Rectifier,2007.

[3]Jonathan Adams.Bootstrap Component Selection For Control IC’s.International Rectifier,2008.

[4]曾建安，曾岳南.MOSFET和IGBT驅動器IR2136及其在電機控制中的作用[J].電機技術，2005（1）：13-15.

[5]秦文甫，張昆峰.基于IR2136的無刷直流電機驅動電路的設計[J].電子設計工程，2012（9）：118-120.

[6]Grant D，Pelly B.新型高電壓橋驅動器電路簡化P WM逆變器設計[C].PCIM研討會，1989.

[7]王曉明，王玲.電動機的DSP控制—TI公司DSP應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

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 實際轉速曲線

圖11 轉速誤差曲線

TP23

A

1008-2794（2013）04-0086-05

2013-03-28

李鑫，實驗師，碩士，研究方向：智能控制技術，E-mail：lixin_cx@163.com.