姚 勤，李定華，黃宇峰，王 濤

(1.中國(guó)人民解放軍海軍 駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海201109;中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

隨著電子技術(shù)發(fā)展，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以其維護(hù)性好、效率高、體積小、控制特性好等優(yōu)點(diǎn)［1］，在工業(yè)、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

本文介紹了一種無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以及利用鎖相環(huán)(PLL)實(shí)現(xiàn)電機(jī)穩(wěn)速控制的系統(tǒng)，對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)提出了設(shè)計(jì)思路和實(shí)物介紹?？刂品桨覆捎秒姍C(jī)控制專用芯片作為控制單元，根據(jù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)三相六狀態(tài)特性進(jìn)行控制，并能夠通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)穩(wěn)速功能，最后通過(guò)試驗(yàn)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了方案的可行性和穩(wěn)定性。

1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

1.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在電氣結(jié)構(gòu)上可表征為三相六狀態(tài)，通常根據(jù)這個(gè)特性實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。電機(jī)中位置傳感器將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送給控制芯片的位置檢測(cè)單元，經(jīng)控制芯片處理，由控制芯片按照計(jì)算結(jié)果控制逆變電路中的功率元件的通斷，就可以得到所需要的PWM 波形［2］，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制電動(dòng)機(jī)。為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)速要求，控制器中加入鎖相環(huán)和電流反饋。電機(jī)系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)框圖

1.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)

選用電機(jī)要求響應(yīng)快，高速下狀態(tài)穩(wěn)定，試驗(yàn)中選用分裝結(jié)構(gòu)扁平式內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)霍爾元件采用內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)，分別嵌入定子鐵心中，這種結(jié)構(gòu)更緊湊，且不影響感應(yīng)效果。定子下安裝電路板，引出霍爾電源、霍爾信號(hào)以及繞組驅(qū)動(dòng)電壓線。電機(jī)定子及霍爾元件如圖2 所示。

圖2 電機(jī)定子、霍爾實(shí)物圖

1.3 驅(qū)動(dòng)器

電機(jī)工作時(shí)，控制器的邏輯換相單元接收霍爾元件輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，根據(jù)時(shí)序確定三相全橋的通電邏輯，邏輯信號(hào)再與控制電機(jī)的脈寬調(diào)制PWM 信號(hào)合成后輸入全橋驅(qū)動(dòng)電路，控制相應(yīng)MOSFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而決定電機(jī)的某兩相繞組通電及通電方向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的邏輯控制;同時(shí)，控制器通過(guò)鎖相環(huán)和電流反饋實(shí)現(xiàn)電機(jī)穩(wěn)速控制。

1.3.1 控制單元設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制單元可選用DSP 或?qū)Ｓ秒姍C(jī)控制芯片。DSP 可使用軟件編程實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)控制，但是芯片成本高，軟件編譯增加操作難度，所以適用于一些電機(jī)系統(tǒng)要求復(fù)雜的場(chǎng)合。電機(jī)專用控制芯片可分為集成鎖相環(huán)功能和未集成鎖相環(huán)功能。使用未集成鎖相環(huán)功能芯片時(shí)，需借助其他輔助芯片完成鎖相環(huán)功能。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，使用未集成鎖相環(huán)功能的芯片，電機(jī)的穩(wěn)速時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間不理想。LV281 是一種集成鎖相環(huán)功能的電機(jī)專用控制芯片，內(nèi)部集成電路包括FG 放大器、積分放大器等，其響應(yīng)速度快，穩(wěn)速性能好，外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，不需要軟件編程。采用這種芯片是一種高效可靠的控制解決方案。

圖3 是控制芯片外圍電路設(shè)計(jì)。該芯片可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)/停止(S/S)、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)(F/R)、電流反饋(RF)、PWM 頻率設(shè)定(CR)功能。第15 管腳RF 信號(hào)實(shí)現(xiàn)電流反饋，起到限流作用;管腳25 ～30 為霍爾信號(hào)接收管腳，這6 個(gè)管腳接收霍爾信號(hào)后將信號(hào)放大傳送到邏輯運(yùn)算單元，經(jīng)邏輯運(yùn)算單元處理的信號(hào)被送到前級(jí)驅(qū)動(dòng)單元，經(jīng)處理的信號(hào)通過(guò)管腳18 ～23 以PWM 形式輸出，連接到后級(jí)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

圖3 控制部分原理圖

1.3.2 驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用三相六狀態(tài)的全橋驅(qū)動(dòng)，方波形式，驅(qū)動(dòng)部分電路圖如圖4 所示。三相全橋采用6個(gè)MOSFET 實(shí)現(xiàn)，這樣可以有足夠的功率裕量，并確保功率部分的散熱問題不需考慮。另外，用了6個(gè)N 溝道MOSFET 后，為解決上橋臂的驅(qū)動(dòng)，配用三片單橋驅(qū)動(dòng)電路IR2103S。

全橋驅(qū)動(dòng)電路在非常低的頻率下或電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)上橋臂自舉不能正常工作，而控制芯片自帶的脈寬調(diào)制PWM 信號(hào)的占空比在約95%以下，從而自舉電容有時(shí)間進(jìn)行充電而不是一直工作在放電狀態(tài)，這樣可以保證起動(dòng)成功率100%。

本方案采用IR2103 驅(qū)動(dòng)功率元件。功率元件選用型號(hào)為IRF7341 的場(chǎng)效應(yīng)管，該元件VDG=55 V，ID=4.7 A，功率電壓為28.5 V，最大電流4 A，能夠滿足設(shè)計(jì)電機(jī)的要求。

1.3.3 控制電路的穩(wěn)速單元

鎖相環(huán)技術(shù)也稱自動(dòng)相位控制，它可以跟蹤輸入信號(hào)相位的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)同步［3－4］。電機(jī)的穩(wěn)速通過(guò)鎖相環(huán)(PLL)及PID 調(diào)節(jié)兩個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，流程如下:(1)表征電機(jī)轉(zhuǎn)速的FG 信號(hào)先送入比較器后整形輸出，與標(biāo)準(zhǔn)的晶振分頻形成的基頻信號(hào)一起送入鎖頻鑒相環(huán)節(jié)PLL 進(jìn)行頻率鎖定。每?jī)蓚€(gè)FG 周期速度鑒別器電路輸出一個(gè)誤差信號(hào);每個(gè)FG 周期PLL 電路輸出一個(gè)相位誤差信號(hào)。頻率鎖定時(shí)，鎖相環(huán)輸出穩(wěn)定到某一基量之上。此后再將FG 信號(hào)與基頻信號(hào)的相差比例調(diào)節(jié)到這一基量之上，作為鎖相環(huán)的最終輸出。

(2)PLL 環(huán)節(jié)的輸出在經(jīng)過(guò)一個(gè)PID 環(huán)節(jié)形成一個(gè)模擬量，這個(gè)模擬量再與一固定頻率的三角波信號(hào)一同送入比較器比較，即形成控制電機(jī)的脈沖調(diào)制PWM 信號(hào)。PWM 信號(hào)與全橋驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)相“與”后再送至后級(jí)的全橋驅(qū)動(dòng)電路。

與普通只使用速度鑒別器電路的速度控制方法相比，使用PLL 電路和速度鑒別器電路相結(jié)合，對(duì)于負(fù)載有大變化的電動(dòng)機(jī)控制，穩(wěn)速效果得到改善。電動(dòng)機(jī)的速度是由FG 脈沖計(jì)數(shù)和晶體振蕩器頻率fOSC設(shè)定的，F(xiàn)G 伺服頻率:

為實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速17 100 r/min，選用頻率為4.669 44 MHz 的晶體振蕩器。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中對(duì)驅(qū)動(dòng)器的電壓、電流、轉(zhuǎn)速以及信號(hào)波形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)示波器可以觀察電機(jī)一路霍爾信號(hào)波形，可通過(guò)這路信號(hào)對(duì)速度進(jìn)行分析。試驗(yàn)平臺(tái)如圖5 所示。

圖5 電機(jī)及控制器試驗(yàn)平臺(tái)

電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)波形如圖6 所示，從圖6 中可以看到電機(jī)起動(dòng)到穩(wěn)定時(shí)間約為0.4 s，該響應(yīng)時(shí)間能夠滿足一般系統(tǒng)要求。穩(wěn)定工作后，電機(jī)運(yùn)行情況平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍小。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)波形

電機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。試驗(yàn)中電機(jī)轉(zhuǎn)速17 099 ～17 102 r/min，滿足設(shè)計(jì)要求17 100 ×(1 ±1%)r/min，波動(dòng)小于1%，能夠達(dá)到穩(wěn)速要求。起動(dòng)電流和穩(wěn)速電流均小于設(shè)計(jì)上限，在驅(qū)動(dòng)器正常工作范圍內(nèi)。

表1 電機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)

圖7 顯示一路霍爾信號(hào)周期變化，圖中每一橫格為10 μs，波形波動(dòng)沒有超過(guò)兩格，周期變化Δt =20 μs，小于設(shè)計(jì)上限40 μs，霍爾信號(hào)周期波動(dòng)在設(shè)計(jì)允許范圍，由于霍爾信號(hào)與電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，說(shuō)明電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小。

圖7 霍爾信號(hào)周期變化

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)可以看出，利用電機(jī)控制專用芯片，根據(jù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的三相六狀態(tài)，通過(guò)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)速的無(wú)刷直流穩(wěn)速電機(jī)控制方案起動(dòng)快、穩(wěn)速精度高、可靠性好，能夠簡(jiǎn)單高效地實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)速控制。

［1］ 吳曄.光學(xué)制導(dǎo)系統(tǒng)雷達(dá)伺服系統(tǒng)執(zhí)行電機(jī)的選擇［J］. 制導(dǎo)與引信，1997，(3):47－49.

［2］ 王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］ 薛峰，吳捷.鎖相技術(shù)在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用概述［J］.微電機(jī)，1999，(3):26－29，32.

［4］ 狄京，張申，樊體峰.鎖相環(huán)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的研究［J］. 工礦自動(dòng)化，2002，(1):12－14.