直流無刷電機驅動電路設計

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【摘要】本文分析了直流無刷電機的特點和工作原理，提出了一種電子開關電路的設計，通過智能功率模塊實現信號處理電路，通過基于CPLD的數字邏輯電路，實現直流無刷電機驅動電路的設計方案。并對組成驅動電路的各個電路模塊進行了分析和設計。

【關鍵詞】直流無刷電機驅動電路電子開關CPLD

引言

電動機做為電能和機械能的轉換裝置，在生產和生活中得到廣泛的應用。直流電機具有啟動轉矩大，響應速度快，可以以額定轉矩啟動等優點，但傳統的直流電機均采用電刷機械換向，由于機械摩擦帶來了噪聲、火花、無線電干擾等致命弱點。針對直流電機的上述弊端，人們研制出了以電子換向代替機械換向的直流無刷電機。此外，隨著半導體技術的發展，可以將電機控制所必須的功能做在芯片里面，而且體積越來越小，使得應用很方便。由于直流無刷電機具備了傳統直流電機的優點，同時克服了傳統直流電機的一些致命缺陷。目前，各種類型的直流無刷電機在國民經濟的各領域，例如在家電、機械、汽車工業、精密機床工業和軍事工業等制造領域得到了廣泛的應用，并處于大力發展階段。

一、直流無刷電機的結構

直流無刷電機和普通直流電機的工作原理和工作特性是相同的，其結構的不同之處在于換向部分，普通直流電機是采用機械的方式換向，而直流無刷電機有專門的換向電路，采用電子方式換向。現在常見的直流無刷電機的機械結構為：定子由轉樞繞組構成，轉子是能夠提供磁場的永磁體。和其他直流類電機一樣，直流無刷電機之所以能夠轉動，是由于直流無刷電機可以在不同的磁極方向下改變電樞的電流方向，從而使轉子的電磁轉矩保持一個方向，以實現持續轉動。為了使電樞電流隨著轉子的位置改變，必須有相應的換流裝置。直流無刷電機的換流裝置主要由用于檢測轉子和定子之間相對位置的傳感器和相應的控制電路構成。為了檢測轉子和定子的相對位置，位置傳感器必須由兩部分構成，一部分安裝在轉子上，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，在直流無刷電機中使用的是根據霍爾效應工作的霍爾傳感器，屬于磁敏式位置傳感器。霍爾傳感器又可分為線性霍爾傳感器和開關霍爾傳感器兩種，開關霍爾傳感器抗干擾能力強，并且適合數字控制，所以直流無刷電機的位置傳感器選擇開關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、直流無刷電機的工作原理

直流無刷電機的驅動系統是由電機本體、位置傳感器、逆變電路組成的閉環系統。直流無刷電機工作的原理：當定子繞組的某一項導通時，通過該繞組的電流和轉子永磁體所產生的磁場相互作用從而使轉子產生轉矩，驅動轉子轉動。在轉動過程中，位置傳感器檢測轉子位置并轉換成電信號，通過電信號控制逆變電路中的電子開關，使定子的各項繞組按照一定規律依次導通，從而實現定子繞組電流隨轉子位置變化并換相，電子開關電路隨轉子轉角同步導通，從而實現與機械換相器等效的作用。為了改變速度，必須用一個比電機頻率大概高十倍的PWM波對原始的PWM進行調制，用脈寬調制PWM的占空比去控制電機的速度。為了方便控制，專門引入一個方向控制信號DIR信號。

三、直流無刷電機驅動電路的設計方案

根據以上論述，要驅動并控制一臺直流無刷電機工作，至少需要電子開關電路和傳感器信號處理電路，在該論文中，電子開關電路通過智能功率模塊實現，信號處理電路通過基于CPLD的數字邏輯電路來實現。為了使系統穩定可靠，在信號處理電路和智能功率模塊之間加上光電隔離電路，同時為了使主控制器方便地控制電機驅動模塊，加入了主控制器與電機驅動模塊之間的接口信號PWM信號和DIR信號，主控制器通過PWM信號的占空比調節電機速度，通過DIR信號控制電機方向。

四、直流無刷電機驅動電路各個模塊設計

4.1智能功率模塊接口設計

為了保證逆變橋電路的可靠性，論文使用IPM(智能功率模塊)模塊代替電子開關電路。它將IGBT和具有自我保護和診斷功能、信號處理功能的電路集成在與一體構成模塊化的芯片。IPM模塊可以實現直流無刷電機的逆變電路、驅動電路和許多其他控制電路的功能，使得電機控制器具有體積小、重量輕、設計簡單和可靠性高等顯著優點，是驅動高性能直流無刷電機的理想器件。在設計中使用日本三菱電動機公司的PM75CSA120智能功率模塊，它內部集成了6只IGBT,其額定負載電流為75A,額定控制電壓為1200V。另外還集成有過流檢測、過熱檢測、欠壓檢測、短路檢測等故障檢測電路。從圖中可以看出幾個故障信號是邏輯或的關系，所以只要其中的一個信號有效，IPM即會關斷，并輸出一個故障信號FO。FO輸入CPLD進行處理，提高系統的可靠性。

4.2隔離電路設計

在設計中用光耦實現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的隔離和智能功率模塊反饋給CPLD的故障信號隔離。根據IPM對接口電路的要求,PWM信號輸入要用高速光耦器件,保護信號輸出可采用低速、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、結束語

該直流無刷電機驅動電路解決了直流電機均采用電刷機械換向單一性問題，克服了由于機械摩擦帶來了噪聲、火花、無線電干擾等問題。區別于傳統機械控制換向方式，利用位置傳感器的檢測電信號，控制逆變電路中的電子開關，使得電子開關電路隨轉子轉角同步導通。經測試，電機運轉平穩，無失調及振動現象，驅動器功率單元無發熱現象。在進行過熱保護測試時，當電機溫度達到130°C時，驅動器過熱保護模塊能順利對電機進行保護，達到預期設計目標。因此可以廣泛推廣。

作者：李志杰 金佛榮 郭玉霞 單位：甘肅工業職業技術學院