直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

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【摘要】本文分析了直流無刷電機(jī)的特點(diǎn)和工作原理，提出了一種電子開關(guān)電路的設(shè)計(jì)，通過智能功率模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理電路，通過基于CPLD的數(shù)字邏輯電路，實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案。并對(duì)組成驅(qū)動(dòng)電路的各個(gè)電路模塊進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電子開關(guān)CPLD

引言

電動(dòng)機(jī)做為電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，在生產(chǎn)和生活中得到廣泛的應(yīng)用。直流電機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，響應(yīng)速度快，可以以額定轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的直流電機(jī)均采用電刷機(jī)械換向，由于機(jī)械摩擦帶來了噪聲、火花、無線電干擾等致命弱點(diǎn)。針對(duì)直流電機(jī)的上述弊端，人們研制出了以電子換向代替機(jī)械換向的直流無刷電機(jī)。此外，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，可以將電機(jī)控制所必須的功能做在芯片里面，而且體積越來越小，使得應(yīng)用很方便。由于直流無刷電機(jī)具備了傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了傳統(tǒng)直流電機(jī)的一些致命缺陷。目前，各種類型的直流無刷電機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各領(lǐng)域，例如在家電、機(jī)械、汽車工業(yè)、精密機(jī)床工業(yè)和軍事工業(yè)等制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并處于大力發(fā)展階段。

一、直流無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)

直流無刷電機(jī)和普通直流電機(jī)的工作原理和工作特性是相同的，其結(jié)構(gòu)的不同之處在于換向部分，普通直流電機(jī)是采用機(jī)械的方式換向，而直流無刷電機(jī)有專門的換向電路，采用電子方式換向。現(xiàn)在常見的直流無刷電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)為：定子由轉(zhuǎn)樞繞組構(gòu)成，轉(zhuǎn)子是能夠提供磁場(chǎng)的永磁體。和其他直流類電機(jī)一樣，直流無刷電機(jī)之所以能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，是由于直流無刷電機(jī)可以在不同的磁極方向下改變電樞的電流方向，從而使轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩保持一個(gè)方向，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了使電樞電流隨著轉(zhuǎn)子的位置改變，必須有相應(yīng)的換流裝置。直流無刷電機(jī)的換流裝置主要由用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間相對(duì)位置的傳感器和相應(yīng)的控制電路構(gòu)成。為了檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)位置，位置傳感器必須由兩部分構(gòu)成，一部分安裝在轉(zhuǎn)子上，一部分安裝在定子上。常見的位置傳感器有電磁式、光電式、和磁敏式三種，在直流無刷電機(jī)中使用的是根據(jù)霍爾效應(yīng)工作的霍爾傳感器，屬于磁敏式位置傳感器?；魻杺鞲衅饔挚煞譃榫€性霍爾傳感器和開關(guān)霍爾傳感器兩種，開關(guān)霍爾傳感器抗干擾能力強(qiáng)，并且適合數(shù)字控制，所以直流無刷電機(jī)的位置傳感器選擇開關(guān)霍爾傳感器是很合適的。霍爾傳感器常見的安裝方法有60度電角安裝和120度電角安裝兩種。

二、直流無刷電機(jī)的工作原理

直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由電機(jī)本體、位置傳感器、逆變電路組成的閉環(huán)系統(tǒng)。直流無刷電機(jī)工作的原理：當(dāng)定子繞組的某一項(xiàng)導(dǎo)通時(shí)，通過該繞組的電流和轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過電信號(hào)控制逆變電路中的電子開關(guān)，使定子的各項(xiàng)繞組按照一定規(guī)律依次導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)定子繞組電流隨轉(zhuǎn)子位置變化并換相，電子開關(guān)電路隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)與機(jī)械換相器等效的作用。為了改變速度，必須用一個(gè)比電機(jī)頻率大概高十倍的PWM波對(duì)原始的PWM進(jìn)行調(diào)制，用脈寬調(diào)制PWM的占空比去控制電機(jī)的速度。為了方便控制，專門引入一個(gè)方向控制信號(hào)DIR信號(hào)。

三、直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上論述，要驅(qū)動(dòng)并控制一臺(tái)直流無刷電機(jī)工作，至少需要電子開關(guān)電路和傳感器信號(hào)處理電路，在該論文中，電子開關(guān)電路通過智能功率模塊實(shí)現(xiàn)，信號(hào)處理電路通過基于CPLD的數(shù)字邏輯電路來實(shí)現(xiàn)。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，在信號(hào)處理電路和智能功率模塊之間加上光電隔離電路，同時(shí)為了使主控制器方便地控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，加入了主控制器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊之間的接口信號(hào)PWM信號(hào)和DIR信號(hào)，主控制器通過PWM信號(hào)的占空比調(diào)節(jié)電機(jī)速度，通過DIR信號(hào)控制電機(jī)方向。

四、直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路各個(gè)模塊設(shè)計(jì)

4.1智能功率模塊接口設(shè)計(jì)

為了保證逆變橋電路的可靠性，論文使用IPM(智能功率模塊)模塊代替電子開關(guān)電路。它將IGBT和具有自我保護(hù)和診斷功能、信號(hào)處理功能的電路集成在與一體構(gòu)成模塊化的芯片。IPM模塊可以實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)的逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路和許多其他控制電路的功能，使得電機(jī)控制器具有體積小、重量輕、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和可靠性高等顯著優(yōu)點(diǎn)，是驅(qū)動(dòng)高性能直流無刷電機(jī)的理想器件。在設(shè)計(jì)中使用日本三菱電動(dòng)機(jī)公司的PM75CSA120智能功率模塊，它內(nèi)部集成了6只IGBT,其額定負(fù)載電流為75A,額定控制電壓為1200V。另外還集成有過流檢測(cè)、過熱檢測(cè)、欠壓檢測(cè)、短路檢測(cè)等故障檢測(cè)電路。從圖中可以看出幾個(gè)故障信號(hào)是邏輯或的關(guān)系，所以只要其中的一個(gè)信號(hào)有效，IPM即會(huì)關(guān)斷，并輸出一個(gè)故障信號(hào)FO。FO輸入CPLD進(jìn)行處理，提高系統(tǒng)的可靠性。

4.2隔離電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中用光耦實(shí)現(xiàn)CPLD控制電路和智能功率模塊之間的電氣隔離，原因是光耦體積小，便于連接和使用。隔離電路包括六路控制信號(hào)的隔離和智能功率模塊反饋給CPLD的故障信號(hào)隔離。根據(jù)IPM對(duì)接口電路的要求,PWM信號(hào)輸入要用高速光耦器件,保護(hù)信號(hào)輸出可采用低速、高電流傳輸比的光耦。高速光耦要求脈沖的上升和下降時(shí)間(tPLH,tPHL)<0.8us;共模抑制(CMR)>1000V/us。論文中高速光耦采用6N137，低速光耦采用4N25。

五、結(jié)束語(yǔ)

該直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路解決了直流電機(jī)均采用電刷機(jī)械換向單一性問題，克服了由于機(jī)械摩擦帶來了噪聲、火花、無線電干擾等問題。區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械控制換向方式，利用位置傳感器的檢測(cè)電信號(hào)，控制逆變電路中的電子開關(guān)，使得電子開關(guān)電路隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步導(dǎo)通。經(jīng)測(cè)試，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無失調(diào)及振動(dòng)現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)器功率單元無發(fā)熱現(xiàn)象。在進(jìn)行過熱保護(hù)測(cè)試時(shí)，當(dāng)電機(jī)溫度達(dá)到130°C時(shí)，驅(qū)動(dòng)器過熱保護(hù)模塊能順利對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。因此可以廣泛推廣。

作者：李志杰 金佛榮 郭玉霞 單位：甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院