直流電機的設計與優(yōu)化

金沁

摘要：無刷直流電機（BLDCM）因為可靠性高，維護便利、噪音小等優(yōu)點，遍及于大功率開關(guān)器件的應用之中，并與專用集成電路、新型控制理論及電機理論的成長緊密連系，體現(xiàn)著當今科學的許多最新成效，因此具有廣泛的應用前景和強大的生命力。電機的驅(qū)動電路部分與數(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)動電路是主控芯片與直流無刷電機聯(lián)結(jié)的紐帶。因而，電機驅(qū)動電路的性能將直接影響到該系統(tǒng)的整體性能和可靠性。本文就對直流電機的設計與優(yōu)化進行分析和探討。

關(guān)鍵詞：直流電機;設計;優(yōu)化

1直流無刷電機結(jié)構(gòu)

直流無刷電機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，電機轉(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，通過位置傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子和定子相對位置。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)簡單、成本較低等優(yōu)點，故應用最廣泛。通過直流無刷電機進行高性能控制系統(tǒng)設計，常用三相全橋驅(qū)動，以星形連接電機為例，原理圖如圖2 所示。采用兩兩導通模式，即三相六狀態(tài)120° 導通模式，金屬氧化物半導體場效應晶體管（ MOSFET，以下簡稱開關(guān)管） 導通順序為： V1、V2， V2、V3，V3、V4，V4、V5，V5、V6，V6、V1。每只開關(guān)管導通電角度120°，每個時刻有兩只開關(guān)管導通，每60° 電角度開關(guān)管換相一次，使定子電樞產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。直流無刷電機正反轉(zhuǎn)時，開關(guān)管的導通順序相反。

2直流無刷電機控制技術(shù)

關(guān)于直流無刷電機控制技術(shù)的發(fā)展，以當前在工業(yè)生產(chǎn)領域的應用情況來看，基本上集中體現(xiàn)在對轉(zhuǎn)速的控制層面上，簡單一點講，就是指直流無刷電機在工作運行的全過程，核心環(huán)節(jié)還是在于檢測控制系統(tǒng)中電機的轉(zhuǎn)速，強化對功率管的控制，主要是為了保護電機電路，比如過流保護、過壓保護等。在現(xiàn)實工業(yè)實踐應用中，直流無刷電機控制技術(shù)可以歸納總結(jié)為兩方面內(nèi)容：①控制器轉(zhuǎn)變應用技術(shù)。直流無刷電機控制器，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。進入到21 世紀以來，尤其是最近幾年，隨著數(shù)字化電機控制器設備及相關(guān)技術(shù)的開發(fā)與應用，在工業(yè)生產(chǎn)領域電機模擬和控制系統(tǒng)操作方面，也變得更加的簡單，并且這種技術(shù)設備本身就非常實用，物美價廉。但是受到技術(shù)層面、經(jīng)濟投入的限制，模擬化電機控制系統(tǒng)也有許多不足之處，最主要的一點就是抗干擾能力較差，幾乎不可重復利用。隨著計算機軟件技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在新一輪的技術(shù)研發(fā)方向上，直流無刷電機也逐漸由現(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)所運用的理論就是現(xiàn)代控制理論。②處理器轉(zhuǎn)變應用技術(shù)。當前，在我國國內(nèi)電機控制處理器及其技術(shù)研究領域，用于電機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)字信號處理器等。其中，微處理器在實踐應用中，對于直流無刷電機在控制方面，無論是控制精度還是控制速度，都已經(jīng)無法滿足當前工業(yè)生產(chǎn)與家用電器中人們的實際需求;而專用集成電路主要適用于那些對控制性能標準要求不高的電機，這種控制方法下設計出來的電路總體上相對簡單，也比較實用?；谏鲜鲫P(guān)于現(xiàn)階段我國國內(nèi)直流無刷電機控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀的闡述， 重點提出大家普遍使用的現(xiàn)代DSP 來進一步解決工業(yè)生產(chǎn)及生活中人們對電機控制性能的技術(shù)要求。

3驅(qū)動系統(tǒng)控制電路設計

無刷直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)，REPMM 為電動機本體，HA，HB，HC 為轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測產(chǎn)生的霍爾信號， 電機驅(qū)動系統(tǒng)通過對轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的信號（HA、HB、HC）進行邏輯變換，即傳送到電路里的為數(shù)字信號，從而產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號PWM，經(jīng)過放大處理后傳送至逆變器的功率開關(guān)，從而控制電機按一定順序正常進行工作。

3.1 基于FAN73892 的驅(qū)動電路設計

FAN73892 是單片三相半橋柵極驅(qū)動器，設計用于高壓、高速驅(qū)動MOSFET 的工作頻率高達600 V。同時也是中小容量的功率場效應管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）功率器件專用柵極驅(qū)動芯片，通過自舉電路工作原理，縮減MOSFET 的開關(guān)時間，有助于盡量降低開關(guān)損耗，改善功率密度，提升整體轉(zhuǎn)換效率。它可以驅(qū)動橋式電路的低壓側(cè)的功率器件，可以驅(qū)動高側(cè)電源組件， 因此它被廣泛應用于電機控制、伺服驅(qū)動、UPS 電源等。無刷直流電機采用三相橋式逆變電路，正常情況下需要四組獨立電源， 這使驅(qū)動電路變得較為復雜，導致逆變器的可靠性降低，采用國外一家公司生產(chǎn)的專用芯片F(xiàn)AN73892，這款芯片只需一個供電電源便可驅(qū)動三相橋式逆變電路的6 個功率開關(guān)器件，使得驅(qū)動電路變得簡單可靠。

3.2 MOSFET 保護電路設計

對于現(xiàn)在傳統(tǒng)的三相直流無刷電機， 一般采用三相六狀態(tài)，120 度導通方式，其換相電路開關(guān)器件采用MOSFET 器件， 開關(guān)器件動作的實現(xiàn)需要獨立的驅(qū)動電路，且供電電源相互隔離。6 只MOSFET 功率管作為開關(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行開關(guān)，則能對三相無刷直流電機進行驅(qū)動。

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

由于MOSFET 管承受短時過載能力比較小，特別在高頻的應用場合， 必須對功率MOSFET 管設計合理的保護電路，以便提高器件的可靠性。對功率MOSFET 驅(qū)動保護電路設計時，首先，采用MOS 驅(qū)動器的輸出與MOS 管之間串聯(lián)電阻的方法，避免在功率管在導通和快速關(guān)閉時， 由于漏極電壓的震蕩頻率造成的di/dt 過高而誤導通的現(xiàn)象。R4～R9是MOSFET 的門極驅(qū)動電阻。其次，MOS管柵極可以采用并聯(lián)電阻的方式來釋放柵極電荷，防止柵源極之間過電壓。為了防止漏源極之間過電壓，通常采用C 緩沖電路等保護措施。設計MOSFET保護電路，I_SEN 信號為MOSFET 上獲取的電流信號， 當電流過大或者發(fā)生短路時，I_SEN會迅速增加并超過額定值，造成MOSFET 器件燒毀。因此增加了MOSFET 的電路保護電路，經(jīng)過U5（放大器），轉(zhuǎn)換為電壓保護電路。

4直流無刷電機控制系統(tǒng)的軟件設計

在電機控制系統(tǒng)軟件設計層面，重點圍繞著控制系統(tǒng)的程序設計來進行。在程序設計上，所涉及到的重要部分包括有直流無刷電機控制系統(tǒng)主程序設計、電機控制系統(tǒng)內(nèi)部SVPWM 程序設計、電機控制系統(tǒng)內(nèi)部中斷程序設計等，在上述程序設計環(huán)節(jié)，電機控制系統(tǒng)功能的發(fā)揮主要得益于中斷程序子系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。關(guān)于直流無刷電機控制系統(tǒng)的軟件設計主程序流程，具體呈現(xiàn)為“開始———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

隨著半導體工業(yè)的快速發(fā)展，直流無刷電機應運而生。直流無刷電機具有效率高、大扭矩、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點，被廣泛應用于航空航天、機器人、數(shù)控機床、汽車電子和家用電器等領域。與直流有刷電機相比，直流無刷電機沒有“電刷”結(jié)構(gòu)，傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子位置，通過電子換向器替代機械換向器實現(xiàn)電樞換相，因此直流無刷電機驅(qū)動設計較直流有刷電機復雜。為方便進行電機控制信號采集，并減小體積，可將電機驅(qū)動電路集成于直流無刷電機本體。分析直流無刷電機常用速度、扭矩和位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，使用串級PID 控制方法指導伺服系統(tǒng)設計。

參考文獻

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