無刷直流電動機驅動控制電路的設計和實現

宰文姣

(四川師范大學，四川成都 610064)

0 引 言

無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎上發展起來的一種新型電機，它克服了傳統直流電動機的機械式換向器和電刷帶來的一系列限制，既具備交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等優點，又具備直流電動機運行效率高、無勵磁損耗及調速性能好等諸多特點［1］。無刷直流電動機的這些特點使其在計算機外圍設備、醫療器械、儀器儀表、化工、汽車、家電、輕紡、工業自動化等領域有廣闊的應用前景和研究價值［2］。近30年來，隨著永磁新材料、微電子技術、自動控制技術及電力電子技術，尤其是大功率開關器件的發展，無刷電動機得到了快速的發展［3］，為了適應小型直流電動機的驅動需求，很多半導體廠商推出了許多專用集成驅動芯片，一定程度上滿足了用戶的需求。但是，對于功率較大的無刷電動機，不僅僅專用芯片相對較少，而且價格昂貴，同時也不便于二次開發，因此其使用受到了很大的限制。采用分立器件，如場效應管搭建H橋驅動電路，實現較大功率的無刷電動機的驅動控制顯得尤其重要。

1 系統的總體結構及工作原理

無刷直流電動機控制系統主要由STC89C52單片機、IR2130前級驅動電路、三相逆變電路、無刷直流電動機及外圍電路構成，系統的總體結構框圖如圖1所示。

圖1 無刷直流電動機控制系統總體結構框圖

系統的工作原理如下:圖1中STC89C52輸出信號經信號處理電路產生6路控制信號以及PWM波通過控制集成芯片IR2130來間接控制三相逆變橋MOS管的兩兩開斷，從而實現無刷直流電動機的驅動。首先該系統通過人機接口設定目標速度輸入到單片機，然后該單片機通過轉換成對應的PWM經過信號處理電路去控制集成芯片IR2130，而該集成芯片的輸出通過合理選擇自舉器件，具有較好的自舉功能，迅速去控制三相逆變橋的兩兩開斷，以實現電機的驅動，同時為了系統的穩定性以及提高系統的精度，該控制器采用了閉環設計，將實際速度利用反饋裝置檢測反饋到單片機，并在單片機內實現PID調速控制。另一方面還加入過流保護電路，進一步提高系統穩定性。

2 系統主要硬件模塊的設計

2.1 IR2130前級驅動電路

IR2130是MOS、IGBT功率器件專用柵級驅動芯片，其具有輸入信號為低電平有效且具有自舉功能，能同時驅動橋式電路中的低壓側和高壓側的功率元件。IR2130的外部電路設計關系到電路能否正常運轉和H橋MOSFET管會不會發燙，是本控制系統的難點之一。IR2130是一款且具有自舉功能的H橋前級驅動芯片。其外圍電路設計如圖2所示。其中，本驅動控制系統的電源電壓選擇15 V，D1～D3為超快速恢復二極管，選用超快恢復二極管uf4007，避免頻率很大的尖峰波擊穿二極管而導致燒壞IR2130;C11～C13為自舉電容，為上橋臂功率管驅動的懸浮電源存儲能量，經調試計算，本系統采用鉭電容效果最好，計算公式:

圖2 IR2130前級驅動電路

式中:Qg代表高端FET的門電荷;f代表工作頻率;ICbs(leak)代表自舉電容漏電流;Iqbs(max)代表 最大VBS靜態電流;VCC代表邏輯電路部分的電壓源;Vf代表自舉二極管的正向壓降;VLS代表低端FET或者負載上的壓降;VMin等于VB與VS之間的最小電壓;Ql代表每個周期的電平轉換所需要的電荷。

R12～R17用來防止功率管寄生震蕩，均選取20 Ω電阻，也可以選取大一點的電阻，可以減小;R18～R20的作用是在產生負電壓時起到限流作用，電阻值需要調試;LED為欠壓過流保護指示燈;R11為電流采樣電阻，取0.1 Ω;C6～C10為電路濾波電容，濾除LM 信號尖峰波;J2 為 HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2、LIN3的信號輸入端，與單片機的 P2.0～P2.5電機換向輸出口經74LS00和PWM相與非門及光電隔離后的信號相接。

2.2 H橋驅動電路設計

H橋驅動電路設計如圖3所示，其中，電源電壓取24 V;MOSFET管選用IRF540，該器件最高工作電壓為100 V，最大工作電流為28 A，最大功耗為150 W，內部集成有續流二極管，所以本電路沒有畫二極管。D5為齊納二極管，起限壓作用，本電路采用P6KE24CA。C1～C3用來吸收直流母線上的尖峰電壓，取0.1 μF的瓷片電容，防止過高的母線電壓擊穿功率管;C4～C5用來對24 V的電源電壓濾波，取值為 100 μF/50 V 的極性電容和 0.47 μF 的CBB電容，確定濾波電容的方法是用示波器測試電源電壓，然后用示波器交流檔進行耦合，峰值超過5 V時還需加入濾波電容，直到耦合后的峰值小于5 V時，停止加入濾波電容;R1～R6對驅動橋起保護作用，防止靜電燒毀功率MOSFET管，本電路取值為10 kΩ。J6為電機接口;J7為外加過流檢測接口，C15、C16為其濾波電容，分別取 0.1 μF 和 0.01 μF。

圖3 H橋驅動電路

2.3 電機的正反轉控制

無刷直流電動機換相采用單片機經軟件而實現，霍爾傳感器每檢測到一個位置時利用程序改變H逆變橋IRF540的導通順序，從而實現軟件換相。由于本無刷直流電動機系統采用的是兩兩導通控制法，所以電機每換一次相都有相對應的兩個功率MOSEFT管導通，在位置霍爾傳感器每檢測到一次換相位置時利用單片機的P2口輸出控制信號。其電機兩兩導通正轉控制字如表1所示。

表1 兩兩導通方式控制字(正轉)

電機兩兩導通反轉控制字如表2所示。

表2 兩兩導通方式控制字(反轉)

2.4 測速電路的設計

測速原理如下:使用一個紅外對射管，發光管發出的紅外光如果不被遮擋則會直接照在接收管上，接收管是一光敏電阻，產生的結果是接收管的電阻變小，如果紅外光照越強，接收管電阻愈小;反之，如果紅外光照越弱，則其電阻越大，當發射管發出的光被遮擋后，接收管沒有紅外光照，電阻達最大。本系統采用碼盤實現紅外對射管的透光和遮光，碼盤如圖4所示。在碼盤兩邊安裝紅外對射管，電機轉動時帶動碼盤轉動，轉動到某一位置時紅外光線透過孔照射到接收管上，再下一個位置光線被擋住，接收管未收到紅外光，如此循環，這樣通過接收管的接收狀態轉換成數字脈沖，對單位時間里的脈沖數進行計數就可以檢測出其轉速快慢。

圖4 碼盤示意圖

圖5 測速電路

其測速電路如圖5所示。圖5電路只適合于較低轉速的情況下，在電機高速旋轉式將會產生很大的測量誤差。主要原因在于接收管的阻值瞬變特性也就是其頻率特性，以及照射光線的頻率(此處的頻率體現為有光和無光的交替快慢程度)，根據實際調試情況發現主要表現為低速和高速兩種頻率特性。低轉速情況下，接收管阻值隨紅外光源的變化及對應的比較器反向端的輸入電壓分別如圖6、圖7所示。高速情況下，接收管阻值隨紅外光源的變化對應的比較器反向端的輸入電壓分別如圖8、圖9所示。

通過實驗發現，高速情況下比較電壓與比較器同相端輸入的參考電壓相近，比較器易誤判，從而輸出不正確的結果。為了避免這一現象，可將上圖的電壓信號進行放大處理，再送入比較器判斷，最終輸出標準邏輯的脈沖信號。將以上電路進行改進，對射管與放大電路連接，即P8與P7相連，P8是連接信號放大電路的接口，如圖10所示，圖11為信號放大電路。

圖6 接收管阻值隨紅外光源的變化

圖7 對應的比較器反向端的輸入電壓

圖8 接收管阻值隨紅外光源的變化

圖9 對應的比較器反向端的輸入電壓

圖10 連接信號放大電路的接口

圖11 信號放大電路

R15是紅外發射管的限流電阻，阻值為330 Ω，R6_0和R6_1是與紅外接收管的串聯分壓的電阻，這樣做的目的在于調試過程中選取電位器R6_0來調試，調試到最佳狀態時再以等值或相近的固定電阻替換它，R7－0、R7_1和 R8_0、R8_1也是如此。改進后的放大信號及比較器輸出的脈沖波形分別如圖12、圖13所示。

圖12 放大后的信號

圖13 比較器比較輸出波形

將此脈沖信號送入單片機的計數器T1中，對其進行計數。

2.5 PWM轉直流信號濾波電路

由于單片機輸出的PWM信號強度較弱，容易受負載的影響。所以選用一個三極管將其放大，為了使放大后的信號同樣是PWM數字信號，則必須使三極管工作在飽和和截止區，取基極電阻R7=47 Ω。為了能使PWM信號濾波后在VOUT輸出端得到滿足要求的直流電壓，則必須合理選擇三極管的集電極電阻R4以及濾波電阻R5。由于在調試之前不好確定R4和R5的值，在設計電路時采取并聯一個精密電位器的方法，實際調試時不焊接R4和R5，而是用與之并聯的電位器R4_1、R5_1取代之，這樣通過調節電位器的大小使其在輸出端得到較理想的輸出，此時再測出電位器的值，將其拔掉，換上與之等值的固定電阻R4、R5，防止阻值被改變而影響效果。PWM轉直流信號濾波電路如圖14所示。

圖14 PWM轉直流信號濾波電路

2.6 過流保護電路設計

由于IR2130芯片自帶的過流檢測設計上有缺陷，在電源干擾過大時容易出現誤判，所以本電機系統采用LM393典型比較器進行過流檢測，利用硬件和軟件共同對采樣電源濾波，達到消除因電源干擾而引起的誤判而導致驅動系統不能正常工作。圖15為電源過流保護電路設計。圖中，采用電位器R01進行對比較電壓的設定，當過流時OA輸出一個低電平，然后采用外部中斷INT1檢測。

圖15 過流保護電路

3 系統的性能測試

通過硬件系統的調試和軟件算法的實現，系統達到了良好的性能，其穩定性較好，無論系統的起動、停止、加速、減速、以及帶負載的能力都能滿足現實的需要。系統經過了48 h的連續運行，實際測量轉速和系統顯示的轉速都基本吻合，而且誤差較小。其正反轉的速度變化曲線如圖16、圖17所示。

圖16 正轉速度曲線

圖17 反轉速度曲線

該系統調速范圍寬，低速可達150 r/min，正常運行高速可達4000 r/min，并且通過PID算法調節后，誤差都能穩定在5 r/min以內。

4 結 語

針對較大功率的無刷電動機專用控制芯片相對較少，而且價格昂貴，同時也不便于二次開發的這一應用不足，本文在研究無刷電動機運行原理和工作特點的基礎上，采用分立器件搭建功率驅動電路，通過光電編碼盤實現轉速測量，研究并實現了較大功率的無刷直流電動機的驅動控制系統，系統運行魯棒性強，速度精確，功耗小，實用性強，非常適應推廣到無刷電動機應用的各種領域。

［1］李楠，田小玲，鐘灶生，等.基于鎖相環倍頻的BLDCM速度控制系統設計［J］.傳感器與微系統，2011，30(2):91 －94.

［2］王春民，喬瑞方，安海忠.基于DSP和IPM的三相無刷直流電機控制系統［J］.吉林大學學報(信息科學版)，2007，25(1):62－67.

［3］牛海清，謝運祥.無刷直流電動機及控制技術的發展［J］.微電機，2002，35(5):36 －38.