一款基于PW-82521直流無刷電機驅動器的研制

李潔

【摘 要】針對機載雷達伺服驅動器體積小、集成度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強的需求，提出了一種直流無刷電機驅動器的設計方案。該驅動器以PW-82521模塊為驅動核心，采用全隔離方案實現(xiàn)強弱電信號間的電氣隔離，運用過流保護電路對電機進行保護。驅動器工作溫度范圍寬、硬件電路結構簡單、控制性能好、可靠性高、抗干擾能力強。經(jīng)實驗驗證，在機載雷達工作環(huán)境下，此驅動器工作穩(wěn)定。

【關 鍵 詞】PW-82521模塊，直流無刷電機，TVS管，過流保護

【中圖分類號】 TM33【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0256-02

0引言

永磁無刷直流電機具有運行效率高、調速性能好、結構簡單、運行可靠、維護方便等顯著優(yōu)點[1]，適合應用在寬溫、強振動、大過載等惡略工作環(huán)境，并具有高可靠性指標要求的機載、球載雷達伺服系統(tǒng)中。

本文針對某型機載雷達伺服系統(tǒng)性能指標要求，提出以PW-82521模塊為核心驅動模塊的直流無刷電機驅動器的設計方案。此模塊是一款性能完備的智能型電機驅動模塊，可廣泛用于驅動直流無刷電機和直流有刷電機[2]，具有控制方式簡單、工作溫度范圍廣、重量輕、體積小、抗干擾性強、集成度高等諸多優(yōu)點。驅動器設計了信號隔離電路增強系統(tǒng)的抗干擾能力，設計過流保護電路，確保電機長期、可靠的工作在允許的電流范圍內，提高系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1系統(tǒng)構成

系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

1.2 PW-82521工作原理

圖2是PW-82521在直流無刷電機伺服系統(tǒng)中采用電流環(huán)控制方案的典型應用電路圖。PW-82521額定工作電壓200V、電流10A、頻率10KHz～100KHz、占空比5%～95%，相關引腳定義為：

VBUS+A、VBUS+B、VBUS+C：模塊內部三相橋的供電電源端，接到外部供電電源的正端。VBUS-：VBUS+供電回路的負端。

VCC AND VCC RTN：模塊內部混合數(shù)字電路的電源端，供電電壓為+5V。

VDR：模塊內部MOSFET管驅動信號用電源，供電電壓為+15V。

VDD、VEE：模塊內部小信號邏輯電路供電電源。VDD供電電壓為+5V～+15V，VEE供電電壓為-5V～-15V，兩種電源值必須保持對稱。

SUPPLY GND：VDR，VDD，VEE電源回路的負端。此管腳與VBUS-管腳在模塊外部短接在一起。

CASE GND：管腳在模塊內部連接到混合電路回路。在一些應用場合，將此管腳連接到地上，可以起到抗電磁干擾的作用。

HALL A，B，C SIGNALS：電機HALL信號輸入端。

PHASE A，B，C：三相橋臂驅動信號輸出端。

ENABLE：模塊內部PWM信號使能控制信號，低電平有效。當信號為高電平無效時，模塊內部PWM信號被禁止，三相橋臂輸出信號均為0V電平。

TACH OUT：電機速度檢測端。信號為方波，頻率與電機速度相關。

DIR OUT：電機旋轉方向指示信號，低電平表示電機做順時針旋轉，高電平表示電機做逆時針旋轉。

CURRENT MONITOR OUT：電機電流采樣信號輸出端。此信號以電壓形式輸出，電流電壓比為2.5A/V，此信號不僅反映電流的大小同時反映電流的極性。

SYNC IN：外部時鐘信號輸入端。

PWM IN：比較信號輸入端，此信號控制PWM信號的占空比。PWM OUT信號或外部三角波信號和此管腳相連。

PWM OUT：模塊內部合成PWM信號的三角波信號的輸出端。輸出信號頻率的變化可以通過調節(jié)連接在此管腳與地端之間的電容容值來實現(xiàn)。

ERROR AMP INPUT，ERROR AMP OUT：誤差放大器的輸入端和輸出端。

COMMAND IN+，COMMAND IN-，

COMMAND GROUND，COMMAND OUT：控制信號運算放大器的輸入、輸出管腳。放大器為差分運算放大器。

2 硬件設計

按照功能，驅動器的硬件電路劃分為：驅動模塊，輔助電源保護模塊、信號隔離及邏輯變換模塊、過流保護模塊。以下介紹各功能電路的硬件實現(xiàn)及器件選取。

2.1驅動模塊

由PW-82521為核心器件的驅動原理圖如圖3所示：

圖1中，C1選用高品質的鉭電容作為儲能器件；C2、C3、C4選用無感陶瓷電容；D1-D4為單向TVS器件；C13選用330pF電容，系統(tǒng)工作頻率為25kHz；R1～R4，C14決定電流環(huán)特性。

2.2輔助電源保護模塊

PW-82521正常工作需要母線電源和4種輔助電源。輔助電源的缺失或過壓都會引起模塊工作狀態(tài)的不穩(wěn)定，嚴重的情況下可導致模塊的失效。本文設計的驅動器對所有輔助電源都進行了過壓保護，針對VDD和VEE設計了電源檢測電路，采用簡便易行的光電檢測電路。

過壓保護采取選用優(yōu)質鉭電容和并聯(lián)TVS管的雙重措施。圖3中C5～C8選用20uF的貼片式固態(tài)鉭電容，C9～C12選用104K的無感陶瓷電容，圖3中D1～D4為TVS管。TVS管即瞬態(tài)電壓抑制二極管[3]，它在規(guī)定的反向應用條件下，當承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低的導通值，允許大電流通過，并將電壓箝制到預定水平，從而有效地保護電子線路中的精密元器件免受損壞。TVS管的選取可以遵循以下原則[3]：

（1） 最大箝位電壓Vc（max）不大于電路的最大允許安全電壓；

（2） 最大反向工作電壓（變位電壓）VRWM不低于電路的最大工作電壓，一般可以選VRWM等于或略高于電路最大工作電壓；

（3） 額定的最大脈沖功率，必須大于電路中出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。

2.3信號隔離及邏輯變換模塊

電機驅動信號為大電流信號易對控制信號產(chǎn)生干擾，為了確保來自控制單元控制信號和采樣信號不受電機信號的干擾，本文設計的驅動器選用強弱電信號全隔離的方案，以確保驅動器具有較強的抗干擾能力。電流大小及極性的控制信號的隔離選取差分運放隔離的方式，功能芯片選用INA117，使能控制信號及電機工作狀態(tài)的檢測信號的隔離方式選取光電隔離的方式，功能芯片選用HCPL6651，電路原理圖如圖4所示：

2.4過流保護電路

機載雷達天線座結構緊湊，電機的安裝空間狹小、形式復雜、不易拆裝，而且電機的容量余度不能選取過大。因此必須盡量避免電機因長時間過流引起繞組發(fā)熱而燒毀電機的事故。

本文針對上述描述的電機保護問題，設計了電機電流過流保護電路，如圖5所示：

絕對值電路將雙極性的電流采樣信號轉變?yōu)閱螛O性的信號原理如圖5（a）所示。延時電路用來區(qū)分過流的狀態(tài)，對不至引起電機損壞的短時的過流現(xiàn)象進行保護屏蔽，保護的延時時間由圖5（b）中R1、R2、C1構成的充放電電路和預設的保護基準Ref2來決定。

3 系統(tǒng)實驗

圖6給出空載0-1500rpm速度階躍響應波形。由圖可以看出速度響應時間小于15ms，且無超調，滿足系統(tǒng)帶寬要求。

4 結束語

本文設計了以PW-82521為核心器件的直流無刷電機驅動器，該驅動器成功應用于某型機載雷達伺服系統(tǒng)，通過高低溫實驗、振動沖擊實驗、可靠性實驗及電磁干擾實驗驗證，此驅動器工作性能穩(wěn)定可靠。在研制過程中有以下總結：

1） PW-82521模塊的VBUS+和VBUS-管腳選用高品質無感高頻濾波電容就近連接，能提高抗干擾能力。

2） 輔助電路的地與PW-82521模塊的地需選用星形單點接地的連接方式以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3） 合理選配模塊的輔助電源端并聯(lián)TVS管，可以大大降低由電源沖擊造成的模塊損壞。

4） 合理配置PW-82521模塊的工作頻率及散熱方式，降低因器件過熱引起的失效風險。

參考文獻

[1] 王琛.直流無刷電動機原理及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004

[2] PW-82520/21N 數(shù)據(jù)手冊 .DDC公司，2003

[3] 《應用指南》永光電子有限公司，2012