蘇州城市學(xué)院 郭 佳
直流電機(jī)具有調(diào)速性能好、運(yùn)行效率高、控制簡單等諸多優(yōu)點(diǎn),在較長一段時期內(nèi)在電氣傳動領(lǐng)域一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但是其機(jī)械接觸換向器和電刷的存在帶來了火花、噪聲、電磁干擾以及壽命短等致命弱點(diǎn),從而限制了其應(yīng)用范圍[1-3]。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和矢量控制技術(shù)的進(jìn)步,高性能的交流感應(yīng)電機(jī)得到了廣泛應(yīng)用,可有效彌補(bǔ)直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的不足[4-5]。但交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)矢量控制需要進(jìn)行坐標(biāo)變換,控制算法相當(dāng)復(fù)雜[6]。
因此,尋找一種既具有直流電機(jī)控制簡單、調(diào)速性能好、運(yùn)行效率高,同時又具備交流電機(jī)無電刷、維修方便等優(yōu)點(diǎn)于一體的新型電機(jī)便成為許多科技工作者的任務(wù)。隨著電子器件和永磁材料的發(fā)展,采用電子換相并集上述直流電機(jī)和交流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一身的永磁無刷直流電機(jī)一經(jīng)問世便得到了廣泛應(yīng)用。
本文設(shè)計了一款較為常用的永磁無刷直流電機(jī)控制器,首先介紹了控制器的相關(guān)理論知識,然后重點(diǎn)闡述永磁無刷直流電機(jī)控制器的軟硬件設(shè)計,最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計的控制器可成功驅(qū)動永磁無刷電機(jī),且運(yùn)行穩(wěn)定可靠,滿足設(shè)計要求。本文對促進(jìn)永磁無刷直流電機(jī)的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。
永磁無刷直流電機(jī)控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,由直流電源Vdc 供電,晶體管Q1~Q6組成三相橋電路,D1~D6旁路二極管為電子換相提供續(xù)流。圖中ua、ub、uc為控制器各端點(diǎn)相電壓,ia、ib、ic為相電流。
圖1 BLDC 驅(qū)動器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
與傳統(tǒng)的直流電機(jī)依靠碳刷實(shí)現(xiàn)機(jī)械換相不同,無刷直流電機(jī)利用電子換相,需要知道轉(zhuǎn)子的實(shí)時位置。電機(jī)軸端安裝有霍爾傳感器,其高低電平變化表征轉(zhuǎn)子的位置,控制器知道轉(zhuǎn)子運(yùn)行區(qū)間后,從而控制6個晶體管輸出特定導(dǎo)通狀態(tài),依據(jù)定子線圈通電產(chǎn)生的磁場,為無刷電機(jī)繞組提供三相交變電流,從而驅(qū)使電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動,此過程稱之換相,表1為電子換相順序表,其中Ha、Hb、Hc為120°霍爾信號,共有8個狀態(tài),000和111不是有效的狀態(tài),其余6個狀態(tài)表征了轉(zhuǎn)子位置所在的電氣區(qū)間。
表1 電子換相順序表
圖2為本文所設(shè)計控制器的結(jié)構(gòu)示意圖,主要包括電源管理模塊、單片機(jī)模塊、三相橋電路及其橋驅(qū)等部分。同時,電路中還包括溫度傳感器,直流電流采樣器,直流電壓檢測器等電子元件,方便單片機(jī)實(shí)時采樣工作信號,有效監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài),保護(hù)控制器不受損壞。
圖2 硬件設(shè)計框圖
其中,單片機(jī)選用ST 公司32位單片機(jī)STM32F030C8T6。該芯片是Arm 架構(gòu),M0內(nèi)核主頻高達(dá)48MHz,具有多個16位定時器,1個12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換通道,并有特定定時器1為電機(jī)控制提供所需六路PWM 信號,價格便宜,能很好契合需求。
三相橋晶體管選用MaxPower 公司的N 溝道MOSFET(增強(qiáng)型場效應(yīng)管)MXP6003AF。該晶體管具有較低的導(dǎo)通電阻,優(yōu)越的開關(guān)性能,很高的雪崩擊穿耐量,室溫條件下工作電流高達(dá)268A,在電機(jī)控制領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。
橋驅(qū)采用的是PT5619芯片。該芯片在同一顆芯片中同時集成了三個90V 半橋柵極驅(qū)動器,特別適合三相電機(jī)應(yīng)用中MOSFET 的柵極驅(qū)動。芯片還內(nèi)置了死區(qū)時間和上下管直通保護(hù)邏輯,可有效阻止半橋電路損壞。同時,先進(jìn)的高壓BCD 制程和內(nèi)置共模噪聲消除技術(shù)使得驅(qū)動器在噪聲環(huán)境中能夠穩(wěn)定工作。
溫度傳感器使用10K 的NTC(負(fù)溫度系數(shù))電阻,直流電流通過2mΩ 高精密采樣電阻獲取,電壓通過電阻網(wǎng)絡(luò)分壓得到。以上信號皆接入單片機(jī)ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)口,以便程序進(jìn)行處理。
圖3為所設(shè)計的永磁無刷直流電機(jī)控制器。圖中可清晰地看到功率部分位于電路板左側(cè),三相橋電路的6個晶體管整齊排布,走線整潔順暢??刂撇糠治挥谟覀?cè),與功率部分涇渭分明,受干擾小,電路穩(wěn)定性強(qiáng)??刂破麟娐钒宕笮H為50×60mm2,布局較為緊湊,功率密度較高。
圖3 無刷直流電機(jī)控制器電路板
控制軟件在Keil 5中使用C 語言開發(fā),圖4為軟件程序流程圖。
圖4 軟件流程圖
主程序用于完成單片機(jī)各外設(shè)初始化,然后進(jìn)入主循環(huán)。程序重點(diǎn)在于霍爾信號捕獲中斷,圖4中虛線箭頭即為中斷服務(wù)程序的進(jìn)入退出方向。在中斷服務(wù)函數(shù)中判斷電壓、電流、溫度是否正常,若有異常,則執(zhí)行保護(hù)程序,關(guān)閉PWM 驅(qū)動輸出,并關(guān)停電機(jī)退出中斷。若運(yùn)行過程沒有異常則根據(jù)表1的換相邏輯切換晶體管的導(dǎo)通時序,從而實(shí)現(xiàn)電子換相,轉(zhuǎn)動無刷電機(jī)。
表2是所用永磁無刷直流電機(jī)的電機(jī)參數(shù),額定電壓20V,額定轉(zhuǎn)速高達(dá)10000rpm,需要較高頻率的PWM 驅(qū)動,為此須謹(jǐn)慎考慮晶體管的柵極驅(qū)動電阻。驅(qū)動電阻選擇若是過大,PWM 開啟關(guān)斷不夠迅速,造成晶體管發(fā)熱,影響其壽命。驅(qū)動電阻過小,則會引起PWM 開關(guān)振蕩,亦會增大晶體管功耗,嚴(yán)重者可直接擊穿晶體管。
表2 電機(jī)參數(shù)
圖5是無刷電機(jī)在全速運(yùn)行時的波形,從上到下依次是控制器a 相電壓以及a 相電流。根據(jù)波形可快速計算出電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速在10000rpm左右。
圖5 全速相電壓相電流波形
圖6是無刷電機(jī)調(diào)速運(yùn)行時的a 相電壓和a 相電流,由圖可知雖然調(diào)速過程存在開關(guān)噪聲,但噪聲毛刺始終在MOSFET 可承受電壓范圍內(nèi),可見驅(qū)動電阻選擇相對合理,硬件設(shè)計較為可靠。圖7是三相霍爾信號Ha,Hb,Hc以及a 相下管驅(qū)動波形,對照表1換相邏輯,可見軟件編程符合設(shè)計理論。
圖6 調(diào)速相電壓相電流波形
圖7 三相霍爾信號與a 相下管驅(qū)動波形
無刷直流電機(jī)由于無碳刷、高壽命、易控制等優(yōu)勢深受市場青睞。本文主要介紹了永磁無刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn),所設(shè)計的控制器額定電壓20V,能夠驅(qū)動轉(zhuǎn)速10000rpm 的無刷電機(jī)。本文從理論到實(shí)踐設(shè)計,再到最后試驗(yàn)驗(yàn)證,充分證明本次設(shè)計的科學(xué)性與實(shí)用性。