， ，自偉，

(貴州航天林泉電機有限公司，貴州貴陽550081)

0 引言

由于直流電動機具有良好的機械特性、較大的啟動力矩、較寬的調(diào)速范圍、不需要復(fù)雜的外圍控制電路等優(yōu)點，在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。在過去的直流電動機設(shè)計中，大多采用電刷和滑環(huán)組成的機械整流器進行機械換向，這種方式具有火花、換相噪聲、壽命短、干擾無線電等諸多缺點[1-2]。隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)、高性能鐵磁材料制造技術(shù)的飛速發(fā)展，直流電機的無刷化應(yīng)運而生，它不僅保留了直流電動機的優(yōu)點，而且還具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便、體積小、效率高、功率密度大等一系列優(yōu)點[5-6]。

本文以額定工作電壓為28 V、9 s內(nèi)實現(xiàn)額定負載轉(zhuǎn)速大于8000 r/min、額定工作電流不大于300 A的無刷直流起動電機為應(yīng)用背景，闡述了一種無刷直流電動機控制器設(shè)計。本文構(gòu)建了基于數(shù)字控制芯片(dsPIC30F4012)的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，并結(jié)合系統(tǒng)要求電機堵轉(zhuǎn)的功能特點，提出了一種基于無刷直流電動機相電流截止負反饋設(shè)計方案，并完成相應(yīng)的硬件電路、軟件控制算法設(shè)計。

1 無刷直流電動機控制方案選擇

圖1 無刷直流電動機組成

本文介紹的無刷直流電動機用于燃氣渦輪起動機，主要功能是輸出一定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，將燃氣渦輪起動機帶動至點火轉(zhuǎn)速，保證成功點火。電機本體與控制器采用一體化設(shè)計方案，見圖1所示。

工程應(yīng)用上，對無刷直流電機的運行特性作如下假設(shè)[3]：

a)電機的氣隙磁感應(yīng)強度沿氣隙矩形分布；

b)繞組通電時，該電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)去磁對主磁極磁通影響忽略不計；

c)功率器件在開關(guān)狀態(tài)下的管壓降為恒值；

d)各相繞組對稱，其對應(yīng)的控制單元完全一致，相應(yīng)電氣時間常數(shù)忽略不計；

e)傳感器及控制電路等功耗忽略不計；

經(jīng)過上述假設(shè)后，定義如下：

(1)

(2)

主電路和功率管的換相方式確定后，其反電動勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)為常數(shù)。

由以上假設(shè)得出電機的電壓平衡方程[3]：

V-ΔV=Ea+IR

(3)

經(jīng)式(1)、式(2)、式(3)進行變換整理后得其機械特性方程[3]：

(4)

式中：n—電機轉(zhuǎn)速，r/min；V—電源電壓，V；ΔV—功率管壓降，V；Ke—電動勢系數(shù)；KT—轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Ta—電動轉(zhuǎn)矩平均值，N·m；R—無刷直流電機內(nèi)阻，Ω。

由上述可知，無刷直流電機的反電動勢與電機的轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)矩與相電流成正比。

根據(jù)上述分析，轉(zhuǎn)矩與相電流成正比，對無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)換為對相電流控制。本文要求無刷直流起動電機具有保護的功能，因此選擇對電機的相電流進行控制是較合理的方案，同時通過調(diào)節(jié)功率管的PWM占空比，實現(xiàn)負載下的平滑運行。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)原理框圖

圖2為基于dsPIC30F4012的無刷直流起動電機控制器原理框圖，采用dsPIC30F4012最小系統(tǒng)作為主控電路，處理采集到的霍爾信號、相電流、硬件中斷信號，經(jīng)軟件計算后，輸出相應(yīng)的PWM信號，從而改變無刷直流起動電機驅(qū)動電路及功率管的導(dǎo)通順序，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)動的控制。DC/DC電源變換模塊將輸入(Vi)28 V母線電壓變換為5 V和15 V，將5 V作為控制信號電源、15 V作為三相驅(qū)動電路電源；電機的霍爾位置傳感器與dsPIC30F4012的CN中斷輸入引腳相連接；電流傳感器選用LEM公司的電流傳感器，供電電壓為5 V，電流測量范圍為±500 A，輸出電壓范圍0 V～5 V，經(jīng)相電流檢測/處理電路調(diào)整為0 V～5 V后與AN0、AN1引腳相連，同時將軟件配置為模擬輸入模式，使用dsPIC30F4012自帶的A/D采樣進行采樣，將采樣的相電流進行數(shù)字處理，實現(xiàn)軟件過流保護；功率管選用日本三菱公司生產(chǎn)的集成功率模塊，其額定電壓150 V，額定電流300 A，其拓撲結(jié)構(gòu)為典型的三相全橋電路[7]，采用高低端懸浮驅(qū)動方式，驅(qū)動電路選用IR2110高性能MOSFET驅(qū)動集成電路，IR2110驅(qū)動電路的SD引腳采用與相電流采樣信號相關(guān)聯(lián)的設(shè)計，當(dāng)相電流超過設(shè)定值時，則會出現(xiàn)高電平的過流保護信號，將封鎖驅(qū)動功率管的驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)硬件過流保護。

圖2 無刷直流起動電機控制器原理框圖

dsPIC30F4012無刷直流電機控制電路具有以下特性[4]：1)采用CMOS制造技術(shù)，具有2.5 V～5 V的寬電壓供電范圍、低功耗；2)模擬、數(shù)字信號控制器特性；3)豐富的外設(shè)資源；4)電機控制PWM模塊；5)編程環(huán)境和編程語言簡單、靈活。

2.2 驅(qū)動電路

無刷直流起動電機控制器的驅(qū)動采用IR2110硬件電路，其橋臂驅(qū)動原理圖如圖3所示。IR2110的工作電壓為10 V～20 V，有高端懸浮輸出通道，經(jīng)外圍電路參數(shù)匹配后，可以驅(qū)動N溝道功率MOSFET，最高電壓可達600 V。將SD引腳與硬件過流保護信號相連接；當(dāng)出現(xiàn)相電流過流時，產(chǎn)生高電平輸入至SD引腳，IR2110的SD引腳出現(xiàn)高電平時即可對輸出的驅(qū)動信號進行封鎖，達到硬件過流保護的目的。

圖3 IR2010S自舉驅(qū)動的驅(qū)動原理圖

2.3 相電流檢測/保護電路

無刷直流電動機控制系統(tǒng)中，保護電路起到了不可或缺的部分，其作用是保護控制系統(tǒng)核心部件免受高壓、大電流沖擊而損壞，整個系統(tǒng)的保護設(shè)計主要由電源隔離電路、相電流檢測/保護電路兩部分組成。

電源隔離電路是將電機功率電壓與控制電壓隔離開，分成三套供電系統(tǒng)：28 V供電系統(tǒng)、5 V控制系統(tǒng)、15 V驅(qū)動系統(tǒng)。三路供電系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)工作，不會因某一部分的故障導(dǎo)致其余電路，從而實現(xiàn)控制電路的保護作用。

相電流檢測/保護電路是通過電流傳感器將電機繞組的相電流進行采樣，將電流信號轉(zhuǎn)換為0 V～5 V的電壓信號，通過對電壓信號的控制實現(xiàn)對相電流的控制，本文的相電流檢測/保護電路簡化框圖如圖4所示。

圖4 相電流檢測/保護電路原理圖

電流傳感器將U、W的相繞組的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(圖4中的電氣網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識為IU、IW)，經(jīng)電壓跟隨、硬件濾波、硬件比較后，輸出過流保護信號SD；電動機在運行時，繞組上的電流方向存在正向和負向，所以在設(shè)置硬件保護電流時應(yīng)設(shè)置正向(標(biāo)識為“Ref+”)、負向(標(biāo)識為“Ref-”)電流閾值。當(dāng)相電流超過正向電流設(shè)定值Ref+或超過負向電流設(shè)定值Ref-，將產(chǎn)生高電平的SD信號，進而封鎖IR2010S驅(qū)動電路的驅(qū)動信號，同時將SD信號送至dsPIC30F4012的外部中斷INT1引腳，作為軟件過流中斷輸入信號，通過硬件、軟件雙重方式實現(xiàn)無刷直流起動電機的相電流檢測和保護。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件開發(fā)簡介

程序開發(fā)采用MPLAB?IDE集成開發(fā)環(huán)境，支持匯編語言、C語言或者混合編程語言的源文件編輯，程序編譯、下載時間短，支持產(chǎn)品在線調(diào)試。所用的編譯器為MPLAB C30編譯器，是一個全功能優(yōu)化的編譯器，可將標(biāo)準(zhǔn)的C語言程序編譯為dsPIC30F4012可執(zhí)行的匯編語言代碼，同時還支持其他命令進行選項和語言擴展，將其硬件資源進行訪問，以便于更好地生產(chǎn)程序代碼[4]。

3.2 電機換相軟件設(shè)計

如圖2所示，本文提及的電子換向線路采用三相橋式接法，換流制式為二相導(dǎo)通的三相六狀態(tài)，換相過程如下，令轉(zhuǎn)子磁極軸線與定子A相繞組的軸線的夾角為θ電角度：

當(dāng)θ=30°時，Q1、Q6導(dǎo)通，即Vin+→Q1→U→V→Q6→Vin-；

當(dāng)θ=90°時，Q1、Q2導(dǎo)通，即Vin+→Q1→U→W→Q2→Vin-；

當(dāng)θ=150°時，Q3、Q2導(dǎo)通，即Vin+→Q3→V→W→Q2→Vin-；

當(dāng)θ=210°時，Q3、Q4導(dǎo)通，即Vin+→Q3→V→U→Q4→Vin-；

當(dāng)θ=270°時，Q5、Q4導(dǎo)通，即Vin+→Q5→W→U→Q4→Vin-；

當(dāng)θ=330°時，Q5、Q6導(dǎo)通，即Vin+→Q5→W→U→Q6→Vin-；

當(dāng)θ=390°時，重復(fù)θ=30°時的狀態(tài)。

電樞繞組的導(dǎo)通順序與功率開關(guān)管的導(dǎo)通順序之間的關(guān)系可用表1來表示，其中一個周期內(nèi)每個功率開關(guān)管的導(dǎo)通角為120°電角度，一個磁狀態(tài)所持續(xù)的電角度為60°。

根據(jù)上述導(dǎo)通方式，并結(jié)合霍爾位置傳感器的輸入信號，對本文所設(shè)計的換相設(shè)計為數(shù)組StateLo

表1二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)導(dǎo)通順序表

TableClk[]={ 0x0000，0x2100，0x0600，0x2400，0x1800，0x0900，0x1200，0x0000}，其中狀態(tài)0和狀態(tài)7為無效狀態(tài)。

3.3 程序執(zhí)行流程

相關(guān)程序流程圖如圖5所示，在程序執(zhí)行流程中，首先對I/O、CN、ADC等相關(guān)參數(shù)進行初始化，初始化完成后，對電流傳感器參數(shù)進行校正，降低硬件電路參數(shù)誤差對電機相電流采樣的誤差；電機運行過程中，實時計算電機的轉(zhuǎn)速，將電機的轉(zhuǎn)速與相電流保護進行關(guān)聯(lián)設(shè)計，在本文進行了參數(shù)及對應(yīng)關(guān)系的設(shè)計。使用dsPIC30F4012的定時器功能對運行時間進行計時，保證產(chǎn)品上電運行9 s后自動關(guān)閉PWM信號，待系統(tǒng)斷電后重新起動運行，即可重新上述運行狀態(tài)。

圖5 程序執(zhí)行流程圖

4 實驗結(jié)果

圖6 28V供電，額定負載下的母線電流波形

根據(jù)圖2所示原理框圖及上述軟件設(shè)計算法構(gòu)建實驗平臺。在額定負載條件下，輸入電壓在22 V～30 V范圍內(nèi)變化，輸出最大電流及轉(zhuǎn)速如表2所示，電機轉(zhuǎn)速測量采用轉(zhuǎn)速傳感器獲取。28 V供電，額定負載下的母線電流波形如圖6所示。波形采用Tektronix TPS2014B示波器獲取。

表2額定負載，不同輸入電壓下的母線最大電流和轉(zhuǎn)速

表2數(shù)據(jù)表明，在22 V～30 V供電輸入，電機額定負載下，母線電流小于300 A、轉(zhuǎn)速大于8000 r/min；與系統(tǒng)進行聯(lián)試時，滿足系統(tǒng)運行要求。

5 結(jié)論

1)根據(jù)無刷直流起動電機項目的要求，構(gòu)建了相應(yīng)的控制器硬件、軟件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了硬件結(jié)構(gòu)、軟件算法的設(shè)計。

2)采用了基于數(shù)字控制芯片(dsPIC30F4012)的無刷直流電動機相電流截止負反饋的控制算法設(shè)計，對硬件、軟件設(shè)計的關(guān)鍵點進行了論述，并實現(xiàn)了在額定負載下帶載運行下的保護功能。

3)實測結(jié)果表明：本文設(shè)計的無刷直流起動電機控制器能滿足供電電壓為28 V、額定工作電流不大于400 A、電機轉(zhuǎn)軸防堵轉(zhuǎn)保護的功能。