小功率三相六狀態無刷直流電機控制系統的設計

吳興波，趙 亮，袁 旭

(吉林化工學院信息與控制工程學院，吉林吉林132022)

傳統有刷直流電機以其優良的機械特性在運動控制領域得到了廣泛的應用，但存在噪聲大、干擾強、壽命短等弱點.近40年來，由于電機本體及其相關學科迅猛發展，加之電力電子技術與數字集成控制技術的興起，以及性能優良、價格低廉的電子元器件的出現為制造無刷直流電機創造了基本條件［1］.80年代在國際上開展了深入的研究，先后研制成方波無刷電機和正弦波無刷直流電機［2］.20多年的時間里，無刷直流電機在國際上已得到較為充分的發展，無刷直流電機將在未來的幾年中成為主導電機，并逐步取代其它類型的電機［3］.本文介紹一種小功率三相六狀態無刷直流電機的工作原理及其驅動電路的設計.

1 三相六狀態無刷直流電動機的工作原理

1.1 無刷直流電動機的基本結構

無刷直流電動機的基本結構，如圖1所示.主定子為相隔120°三相繞組，可提高磁通的利用率并使電機轉動時更加平穩;主轉子為永磁材料制成的磁極.電子換向線路實現直流電機中電刷的換流功能，實現了直流電機的無刷化，其導通規則由位置傳感器發出的信號決定.位置傳感器的轉子隨電機本體轉子同步轉動，從而得到轉子位置狀態信息［4］.三相六狀態無刷直流電動機的工作原理的關鍵部分就在于如何利用位置傳感器發出的信號實現三相六狀態的換流過程.

圖1 無刷直流電動機的基本結構圖

1.2 三相六狀態的換流過程

采用三相六狀態換流方式進行工作時，每一時刻均有兩相繞組通電，為得到最大轉矩，在每個狀態下，兩相繞組的合成磁勢與主磁通的夾角平均值應盡量為90°.正轉時換流過程如圖2所示.

圖2 正轉時換流過程圖

圖3 電機換流過程時序圖

從圖2可以看出三相繞組的導通狀態.與三相三狀態不同的是在轉向不變時，一個周期內每一相繞組內的電流會有正反兩個方向，使電機材料的利用率與三相三狀態相比有了很大的提高［5］.三相繞組的換流時序如圖3所示.

1.3 位置傳感器工作原理

設計中，采用霍爾傳感器作為位置傳感器，傳感器利用霍爾效應制成，當傳感器于N極下時會輸出高電平，S極下輸出低電平，將傳感器放在適當位置，根據輸出電平的變化就可以得到磁極旋轉位置.為得到均等的六個位置狀態，可將三個霍爾傳感器相隔120°放置，根據輸出信號即可判斷出轉子當前處于哪個旋轉狀態.圖4是位置傳感器輸出波形圖.

圖4 位置傳感器輸出波形圖

對比換流過程圖與傳感器輸出信號可以得到位置傳感器輸出波形與繞組導通規律的對應關系如圖5所示.

圖5 位置傳感器輸出波形與繞組導通規律的對應關系圖

1.4 繞組導通規律與主回路功率管觸發信號的對應關系

定子供電采用三相橋式電路，因電機功率較小，又由PWM調速，故功率器件選MOSFET管，圖6是A+B-(A+C-)觸發示意圖及導通繞組與導通功率管對應表格圖.電機為Y連接時，要實現A+B-狀態，只要將T1、T6導通即可，同理，要實現A+C-狀態，只要將T1、T2導通即可.

圖6 導通繞組與導通功率管對應表格圖

1.5 霍爾信號與主回路功率管觸發信號的對應關系

通過以上分析得到正轉時霍爾信號與主回路功率管觸發信號的對應關系如圖7所示.

圖7 霍爾信號與功率管觸發信號的對應關系圖

2 三相六狀態無刷直流電動機控制系統原理圖

三相六狀態無刷直流電動機控制系統原理圖如圖8所示.

圖8 三相六狀態無刷直流電動機控制系統原理圖

3 控制系統原理說明及邏輯電路圖、位置信號處理電路、PWM信號產生電路

3.1 控制系統原理說明

根據前面無刷直流電機三相六狀態運行的工作原理可以得到霍爾傳感器位置信號與功率管觸發信號的對應關系如圖7所示.通過真值表可設計出滿足要求的組合邏輯電路.實際電路中組合邏輯電路由GAL(G16V8MS)芯片實現.通過繪制邏輯電路圖(見圖9)，編譯后可得到相應的JED燒寫文件.除采用畫邏輯電路圖的方法外，還可利用PROTEL內嵌的WinCupl通過編寫CUPL語言［5］實現同樣的邏輯功能并得到JED文件.

3.2 位置信號處理電路

由于霍爾傳感器的輸出采用OC門電路，需要加上拉電阻實現高電平輸出.此外，還需對其提供5 V的工作電源.由于GAL(采用G16V8MS芯片)可方便地實現各種邏輯功能，故將功率管的觸發信號與PWM相與這一過程也放在此處進行.IN6為PWM輸入，IN5為正反轉控制信號，14、15、16、19、23、27 管腳輸出 T2、T6、T4、T5、T3、T1的觸發信號(低電平有效)，送至MOSFET驅動電路.最終得到位置信號處理電路如圖10所示.

圖9 邏輯電路圖

圖10 位置信號處理電路圖

3.3 PWM信號產生電路

電路圖如圖11所示.由NE555芯片構成的多諧振蕩器，3引腳輸出PWM信號，通過調節R9就可以調節占空比［6］實現調速功能，輸出(PWM)送至GAL(G16V8MS)芯片，再經過MOSFET驅動電路，產生三相橋式主電路觸發信號.

圖11 PWM信號產生電路

4 MOSFET驅動電路及三相橋式主電路

4.1 MOSFET驅動電路

電路圖如圖12所示，驅動芯片采用IR2130實現［7］.電路簡單且驅動能力強，只需一個+15 V電源，芯片內部提供三個獨立電源驅動上橋三個MOSFET管，自身電源則可直接為下橋驅動電路供電［8］，二極管用于隔離電源，電容(10 μF)用于自舉.IR2130自帶限流［9］環節，9引腳即為信號反饋端，過流信號經分壓后送到ITRIP(9引腳)進行比較，如果發生過流則關斷MOSFET管，并使FLT(8引腳)輸出低電平，點亮發光二極管，以示報警.通過調節R10可調節限流值的大小.改變串入輸出端的柵極驅動電阻(20 Ω)可以改變MOSFET管的開通關斷速度.

圖12 MOSFET驅動電路圖路

4.2 三相橋式主電路

三相橋式主電路采用MOSFET(IRF640)作為開關器件，輸入電源電壓為+24 V，電機繞組為Y型連接，可為各相繞組提供雙向電源.IRF640內部已集成續流二極管，不必另設，但需自行添加柵源保護電阻(20 kΩ)以防靜電擊穿.電路圖如圖13所示.

圖13 三相橋式主電路圖

5 結 論

設計樣機在驅動額定電壓24 V時，輸出功率可達18～20 W，速度為180～200 r/min，采用三相六狀態的導通方式優點是電機材料的利用率高，驅動芯片采用IR2130好處是電路簡單且性價比高.可實現電機的正反轉控制，能利用PWM方式實現開環調速，電機運行速度平穩.通過增大驅動額定電壓的數值和改換MOSFET管及驅動芯片型號也適用于中功率電動車驅動，非常具有實用性.

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