無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

宰文姣

(四川師范大學(xué)，四川成都 610064)

0 引 言

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型電機(jī)，它克服了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械式換向器和電刷帶來(lái)的一系列限制，既具備交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗及調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)［1］。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的這些特點(diǎn)使其在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、汽車(chē)、家電、輕紡、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值［2］。近30年來(lái)，隨著永磁新材料、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及電力電子技術(shù)，尤其是大功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)得到了快速的發(fā)展［3］，為了適應(yīng)小型直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)需求，很多半導(dǎo)體廠商推出了許多專(zhuān)用集成驅(qū)動(dòng)芯片，一定程度上滿(mǎn)足了用戶(hù)的需求。但是，對(duì)于功率較大的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，不僅僅專(zhuān)用芯片相對(duì)較少，而且價(jià)格昂貴，同時(shí)也不便于二次開(kāi)發(fā)，因此其使用受到了很大的限制。采用分立器件，如場(chǎng)效應(yīng)管搭建H橋驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)較大功率的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制顯得尤其重要。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及工作原理

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主要由STC89C52單片機(jī)、IR2130前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、三相逆變電路、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及外圍電路構(gòu)成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的工作原理如下:圖1中STC89C52輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路產(chǎn)生6路控制信號(hào)以及PWM波通過(guò)控制集成芯片IR2130來(lái)間接控制三相逆變橋MOS管的兩兩開(kāi)斷，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。首先該系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)接口設(shè)定目標(biāo)速度輸入到單片機(jī)，然后該單片機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的PWM經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路去控制集成芯片IR2130，而該集成芯片的輸出通過(guò)合理選擇自舉器件，具有較好的自舉功能，迅速去控制三相逆變橋的兩兩開(kāi)斷，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及提高系統(tǒng)的精度，該控制器采用了閉環(huán)設(shè)計(jì)，將實(shí)際速度利用反饋裝置檢測(cè)反饋到單片機(jī)，并在單片機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)PID調(diào)速控制。另一方面還加入過(guò)流保護(hù)電路，進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)主要硬件模塊的設(shè)計(jì)

2.1 IR2130前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路

IR2130是MOS、IGBT功率器件專(zhuān)用柵級(jí)驅(qū)動(dòng)芯片，其具有輸入信號(hào)為低電平有效且具有自舉功能，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)橋式電路中的低壓側(cè)和高壓側(cè)的功率元件。IR2130的外部電路設(shè)計(jì)關(guān)系到電路能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)和H橋MOSFET管會(huì)不會(huì)發(fā)燙，是本控制系統(tǒng)的難點(diǎn)之一。IR2130是一款且具有自舉功能的H橋前級(jí)驅(qū)動(dòng)芯片。其外圍電路設(shè)計(jì)如圖2所示。其中，本驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的電源電壓選擇15 V，D1～D3為超快速恢復(fù)二極管，選用超快恢復(fù)二極管uf4007，避免頻率很大的尖峰波擊穿二極管而導(dǎo)致燒壞IR2130;C11～C13為自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動(dòng)的懸浮電源存儲(chǔ)能量，經(jīng)調(diào)試計(jì)算，本系統(tǒng)采用鉭電容效果最好，計(jì)算公式:

圖2 IR2130前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路

式中:Qg代表高端FET的門(mén)電荷;f代表工作頻率;ICbs(leak)代表自舉電容漏電流;Iqbs(max)代表 最大VBS靜態(tài)電流;VCC代表邏輯電路部分的電壓源;Vf代表自舉二極管的正向壓降;VLS代表低端FET或者負(fù)載上的壓降;VMin等于VB與VS之間的最小電壓;Ql代表每個(gè)周期的電平轉(zhuǎn)換所需要的電荷。

R12～R17用來(lái)防止功率管寄生震蕩，均選取20 Ω電阻，也可以選取大一點(diǎn)的電阻，可以減小;R18～R20的作用是在產(chǎn)生負(fù)電壓時(shí)起到限流作用，電阻值需要調(diào)試;LED為欠壓過(guò)流保護(hù)指示燈;R11為電流采樣電阻，取0.1 Ω;C6～C10為電路濾波電容，濾除LM 信號(hào)尖峰波;J2 為 HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2、LIN3的信號(hào)輸入端，與單片機(jī)的 P2.0～P2.5電機(jī)換向輸出口經(jīng)74LS00和PWM相與非門(mén)及光電隔離后的信號(hào)相接。

2.2 H橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

H橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖3所示，其中，電源電壓取24 V;MOSFET管選用IRF540，該器件最高工作電壓為100 V，最大工作電流為28 A，最大功耗為150 W，內(nèi)部集成有續(xù)流二極管，所以本電路沒(méi)有畫(huà)二極管。D5為齊納二極管，起限壓作用，本電路采用P6KE24CA。C1～C3用來(lái)吸收直流母線上的尖峰電壓，取0.1 μF的瓷片電容，防止過(guò)高的母線電壓擊穿功率管;C4～C5用來(lái)對(duì)24 V的電源電壓濾波，取值為 100 μF/50 V 的極性電容和 0.47 μF 的CBB電容，確定濾波電容的方法是用示波器測(cè)試電源電壓，然后用示波器交流檔進(jìn)行耦合，峰值超過(guò)5 V時(shí)還需加入濾波電容，直到耦合后的峰值小于5 V時(shí)，停止加入濾波電容;R1～R6對(duì)驅(qū)動(dòng)橋起保護(hù)作用，防止靜電燒毀功率MOSFET管，本電路取值為10 kΩ。J6為電機(jī)接口;J7為外加過(guò)流檢測(cè)接口，C15、C16為其濾波電容，分別取 0.1 μF 和 0.01 μF。

圖3 H橋驅(qū)動(dòng)電路

2.3 電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)換相采用單片機(jī)經(jīng)軟件而實(shí)現(xiàn)，霍爾傳感器每檢測(cè)到一個(gè)位置時(shí)利用程序改變H逆變橋IRF540的導(dǎo)通順序，從而實(shí)現(xiàn)軟件換相。由于本無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)采用的是兩兩導(dǎo)通控制法，所以電機(jī)每換一次相都有相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)功率MOSEFT管導(dǎo)通，在位置霍爾傳感器每檢測(cè)到一次換相位置時(shí)利用單片機(jī)的P2口輸出控制信號(hào)。其電機(jī)兩兩導(dǎo)通正轉(zhuǎn)控制字如表1所示。

表1 兩兩導(dǎo)通方式控制字(正轉(zhuǎn))

電機(jī)兩兩導(dǎo)通反轉(zhuǎn)控制字如表2所示。

表2 兩兩導(dǎo)通方式控制字(反轉(zhuǎn))

2.4 測(cè)速電路的設(shè)計(jì)

測(cè)速原理如下:使用一個(gè)紅外對(duì)射管，發(fā)光管發(fā)出的紅外光如果不被遮擋則會(huì)直接照在接收管上，接收管是一光敏電阻，產(chǎn)生的結(jié)果是接收管的電阻變小，如果紅外光照越強(qiáng)，接收管電阻愈小;反之，如果紅外光照越弱，則其電阻越大，當(dāng)發(fā)射管發(fā)出的光被遮擋后，接收管沒(méi)有紅外光照，電阻達(dá)最大。本系統(tǒng)采用碼盤(pán)實(shí)現(xiàn)紅外對(duì)射管的透光和遮光，碼盤(pán)如圖4所示。在碼盤(pán)兩邊安裝紅外對(duì)射管，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)到某一位置時(shí)紅外光線透過(guò)孔照射到接收管上，再下一個(gè)位置光線被擋住，接收管未收到紅外光，如此循環(huán)，這樣通過(guò)接收管的接收狀態(tài)轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖，對(duì)單位時(shí)間里的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)就可以檢測(cè)出其轉(zhuǎn)速快慢。

圖4 碼盤(pán)示意圖

圖5 測(cè)速電路

其測(cè)速電路如圖5所示。圖5電路只適合于較低轉(zhuǎn)速的情況下，在電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)式將會(huì)產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差。主要原因在于接收管的阻值瞬變特性也就是其頻率特性，以及照射光線的頻率(此處的頻率體現(xiàn)為有光和無(wú)光的交替快慢程度)，根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況發(fā)現(xiàn)主要表現(xiàn)為低速和高速兩種頻率特性。低轉(zhuǎn)速情況下，接收管阻值隨紅外光源的變化及對(duì)應(yīng)的比較器反向端的輸入電壓分別如圖6、圖7所示。高速情況下，接收管阻值隨紅外光源的變化對(duì)應(yīng)的比較器反向端的輸入電壓分別如圖8、圖9所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高速情況下比較電壓與比較器同相端輸入的參考電壓相近，比較器易誤判，從而輸出不正確的結(jié)果。為了避免這一現(xiàn)象，可將上圖的電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理，再送入比較器判斷，最終輸出標(biāo)準(zhǔn)邏輯的脈沖信號(hào)。將以上電路進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)射管與放大電路連接，即P8與P7相連，P8是連接信號(hào)放大電路的接口，如圖10所示，圖11為信號(hào)放大電路。

圖6 接收管阻值隨紅外光源的變化

圖7 對(duì)應(yīng)的比較器反向端的輸入電壓

圖8 接收管阻值隨紅外光源的變化

圖9 對(duì)應(yīng)的比較器反向端的輸入電壓

圖10 連接信號(hào)放大電路的接口

圖11 信號(hào)放大電路

R15是紅外發(fā)射管的限流電阻，阻值為330 Ω，R6_0和R6_1是與紅外接收管的串聯(lián)分壓的電阻，這樣做的目的在于調(diào)試過(guò)程中選取電位器R6_0來(lái)調(diào)試，調(diào)試到最佳狀態(tài)時(shí)再以等值或相近的固定電阻替換它，R7－0、R7_1和 R8_0、R8_1也是如此。改進(jìn)后的放大信號(hào)及比較器輸出的脈沖波形分別如圖12、圖13所示。

圖12 放大后的信號(hào)

圖13 比較器比較輸出波形

將此脈沖信號(hào)送入單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T1中，對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2.5 PWM轉(zhuǎn)直流信號(hào)濾波電路

由于單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)強(qiáng)度較弱，容易受負(fù)載的影響。所以選用一個(gè)三極管將其放大，為了使放大后的信號(hào)同樣是PWM數(shù)字信號(hào)，則必須使三極管工作在飽和和截止區(qū)，取基極電阻R7=47 Ω。為了能使PWM信號(hào)濾波后在VOUT輸出端得到滿(mǎn)足要求的直流電壓，則必須合理選擇三極管的集電極電阻R4以及濾波電阻R5。由于在調(diào)試之前不好確定R4和R5的值，在設(shè)計(jì)電路時(shí)采取并聯(lián)一個(gè)精密電位器的方法，實(shí)際調(diào)試時(shí)不焊接R4和R5，而是用與之并聯(lián)的電位器R4_1、R5_1取代之，這樣通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的大小使其在輸出端得到較理想的輸出，此時(shí)再測(cè)出電位器的值，將其拔掉，換上與之等值的固定電阻R4、R5，防止阻值被改變而影響效果。PWM轉(zhuǎn)直流信號(hào)濾波電路如圖14所示。

圖14 PWM轉(zhuǎn)直流信號(hào)濾波電路

2.6 過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

由于IR2130芯片自帶的過(guò)流檢測(cè)設(shè)計(jì)上有缺陷，在電源干擾過(guò)大時(shí)容易出現(xiàn)誤判，所以本電機(jī)系統(tǒng)采用LM393典型比較器進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)，利用硬件和軟件共同對(duì)采樣電源濾波，達(dá)到消除因電源干擾而引起的誤判而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不能正常工作。圖15為電源過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)。圖中，采用電位器R01進(jìn)行對(duì)比較電壓的設(shè)定，當(dāng)過(guò)流時(shí)OA輸出一個(gè)低電平，然后采用外部中斷INT1檢測(cè)。

圖15 過(guò)流保護(hù)電路

3 系統(tǒng)的性能測(cè)試

通過(guò)硬件系統(tǒng)的調(diào)試和軟件算法的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)達(dá)到了良好的性能，其穩(wěn)定性較好，無(wú)論系統(tǒng)的起動(dòng)、停止、加速、減速、以及帶負(fù)載的能力都能滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)的需要。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了48 h的連續(xù)運(yùn)行，實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)顯示的轉(zhuǎn)速都基本吻合，而且誤差較小。其正反轉(zhuǎn)的速度變化曲線如圖16、圖17所示。

圖16 正轉(zhuǎn)速度曲線

圖17 反轉(zhuǎn)速度曲線

該系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，低速可達(dá)150 r/min，正常運(yùn)行高速可達(dá)4000 r/min，并且通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)后，誤差都能穩(wěn)定在5 r/min以?xún)?nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)較大功率的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)專(zhuān)用控制芯片相對(duì)較少，而且價(jià)格昂貴，同時(shí)也不便于二次開(kāi)發(fā)的這一應(yīng)用不足，本文在研究無(wú)刷電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理和工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用分立器件搭建功率驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)光電編碼盤(pán)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量，研究并實(shí)現(xiàn)了較大功率的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行魯棒性強(qiáng)，速度精確，功耗小，實(shí)用性強(qiáng)，非常適應(yīng)推廣到無(wú)刷電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的各種領(lǐng)域。

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