低壓大電流無刷直流電機驅動器設計

2014-01-13 10:19:28陳錦杰

微特電機 2014年2期

徐剛，袁文，陳錦杰

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引言

通訊基站備用電源系統中的送風子系統采用一種低壓大電流風機及驅動器，如圖1 所示。風泵采用無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)，其優勢在于:BLDCM 結構簡單(無電刷，轉子為永磁體)，運行可靠;擁有較高的功率密度，可以減小電機的在設備中的安裝尺寸;類似于直流電機的控制方式，控制方法簡單、易于實現。

圖1 BLDCM 送風子系統安裝機架

低壓大電流驅動器的設計難點在于大電流流過電路時會產生很大的損耗，轉換為熱量造成驅動電路溫度上升，給系統帶來不穩定因素，并且溫度過高會造成損壞。

因而，在做好驅動器溫度監測和保護功能的同時，一般從降低逆變電路損耗和加強散熱措施兩個方面進行改進。具體可分為以下三個優化方向:采用具有更低導通阻抗的功率器件，減小功率器件在大電流工作狀態下產生的導通損耗;PCB 設計和制造中熱管理的優化和載流能力的提高，如采用ANDUS 公司的X－Cool SMT 技術;功率器件的散熱設計［1］。

1 方案簡介

1.1 BLDCM 驅動方法原理

本文采用了基于霍爾位置傳感器的“6 拍換相二二導通”［2］的電機驅動方法，這種方法具有實現簡單、成本低廉的優點。

二二導通的方式是指任意導通逆變電路中兩個開關管，如圖2 所示。注意同一個橋臂的開關管不能同時導通，則共有六種狀態:VT1VT2/VT1VT4/VT3VT0/VT3VT4/VT5VT0/VT5VT2，對應于六種繞組(三相BLDCM)狀態AB/AC/BA/BC/CA/CB，如圖3 所示。電流流經繞組在空間內形成6 個空間磁場

圖2 BLDCM 控制器逆變電路示意圖

1.2 硬件方案簡介

驅動器硬件框圖如圖4 所示，從功能上可分為控制芯片電路、驅動電路、保護電路等。

圖4 驅動器硬件框圖

本文的控制芯片采用了Microchip 公司的16 位高性能芯片dsPIC33FJ64MC706，芯片采用了改進的哈佛結構，運算速度最快為40 MIPS，溫度范圍為－40℃～ + 85℃，片上資源具有8 路電機控制PWM、2 個ADC、1 個增強型CAN 接口等。

驅動電路為典型的逆變電路，低壓大電流驅動應注意功率MOSFET 的發熱和逆變電路PCB 的載流能力。本文從以下三個方面對逆變電路的熱設計進行了優化:(1)在功率器件選型時，選用低導通阻抗的功率MOSFET－IRFP4368，并采用了兩片并聯的方式，進一步降低MOSFET 的導通阻抗，進而減小MOSFET通態損耗、降低MOS 管的發熱量。(2)在PCB 設計時，主回路PCB 布線時線徑加寬，并在其表面去掉阻焊層，然后在PCB 表面加焊粗銅條和大面積鋪錫(如圖5 所示)，以增加PCB 的載流能力，+50V 電源線、地線以及電機三相輸出線采用較粗的銅導線引出至端子等，降低電流在主回路上的損耗。(3)本文MOS管的散熱采用自然冷卻的方式，通過MOSFET 與外界環境(指空氣)之間的熱交換，降低MOSFET 溫度。本文采取了兩種措施以降低 MOS－FET 與外界環境之間的熱阻、提高散熱性能:在MOS 管與散熱器之間采用具有較低熱阻的熱傳導材料－電絕緣矽膠布，并使用導熱硅脂填充間隙;使用大面積、具有銑齒槽的散熱片作為驅動器的底座，增加與空氣之間的熱傳導面積(如圖6 所示)。

圖5 大電流驅動電路PCB 設計

圖6 MOSFET 安裝圖

保護電路主要處理電流、電壓、溫度信號，電路設計方案為單電阻采樣母線電流、串聯電阻分攤母線電壓、DS18b20 測量溫升。通過實時處理這些信號，實現驅動器的保護功能，包括過流保護、欠壓/過壓保護、高溫保護等。

通訊采用了dsPIC33F 系列DSC 的ECAN(增強型控制器局域網)模塊，它具有以下主要特性:完全符合CAN2.0B 協議，具有較高的可靠性和良好的錯誤檢測能力，并且通訊速度快(最高支持1 Mbps的可編程比特率)、實現簡單、性價比高、應用成熟。

1.3 軟件方案簡介

軟件設計流程如圖7 所示，用戶通過上位機(CAN 總線)可以以下執行三種操作:了解驅動器的實時信息，包括母線電流/溫度/速度/報警等;實時調節風機的運行速度;在驅動器報警后，清除報警。本文將介紹PI 調節器的設計和調速系統的控制框架。

圖7 軟件流程圖

1.3.1 速度環PI 調節器設計

數字PID 調節器有兩種算式:位置式和增量式［3］。本文采用位置式PI 調節器，其輸出的時域方程:

式中:u(t)為調節器在t 時刻的輸出;e 代表偏差;Kp為比例環節的放大倍數;τ 為積分時間常數。離散化后第n 拍的輸出方程:

式中:Tsam為采樣周期，在編程時通常用KI代替上式中的，KI稱之為積分環節的放大倍數。

1.3.2 BLDCM 調速系統控制構架

BLDCM 調速系統的控制框架如圖8 所示，其工作流程如下:由速度的給定值Vref和實際值Vactual計算出轉速偏差Verror，Verror經過PI 調節器和防止積分飽和環節，可以計算得到PWM 控制輸出信號的占空比，再由Hall 傳感器的狀態解碼得到6 路PWM輸出信號的導通時序，PWM 產生器根據計算出的占空比和導通時序，輸出PWM 控制信號，控制逆變器開關管動作，進而控制電機旋轉。

圖8 調速系統的控制架構

2 測試實驗

首先，通過測試三相電機的輸出相電壓和相電流波形，分析BLDCM 調速系統控制架構設計的合理性和適用性，然后測試大電流情況下控制器長時間工作時的穩定性(溫度曲線)。

2.1 控制器輕載實驗

實驗過程:調節供電電源輸出電壓為55 V 左右，通過CAN 總線向風機發送3 000 r/min 的轉速命令，并采取堵住風機進風口的加負載方式，使風機轉速達到3 000 r/min 時，電源輸出電流為10 A 左右。使用示波器觀測三相(A/B/C)的輸出電壓和C相的輸出電流，記錄波形如圖9。其中CH1 為A 相相電壓，CH4 為B 相電壓，CH2 為C 相相電壓，CH3為C 相相電流。

在實驗中，應注意電流探頭的工作范圍，本文采用的電流探頭的型號為FLUKE i30s，其最大測試電流(有效值)為20 A，測得此時C 相電流有效值為16.5 A 左右。應注意示波器地線為電源地，而不是三相繞組的中心點。

分析圖9 中波形，可以根據開關管的導通狀態，將一個周期360°電角度的波形劃分為6 種狀態，如圖所示，并且A 相、B 相、C 相每兩相電壓之間的相位差為120°電角度。狀態1 情況，繞組導通方式為AC，對應開關管VT1、VT4 導通，VT1 為PWM 斬波，VT4 完全導通，通過控制VT1 的占空比調節風機的轉速，以此類推狀態2 ～6。

圖9 三相電壓與C 相相電流波形

考慮到本次應用的調速范圍為900 ～4 000 r/min，避開了“二二導通”控制方式低速時產生轉矩脈動的缺點，系統采用“6 拍換相二二導通”的控制模式工作正常，配合速度環PI 調節器能夠平穩調節BLDCM 的轉速。

2.2 溫升測試實驗

溫升測試實驗中，實驗室溫度在27℃左右，基本無風，控制器電源輸出電壓為55 V，給風機加負載，使驅動器供電電源輸出電流為20 A 左右。使驅動器保持工作在大電流狀態，每隔5 min 由CAN 讀出溫度傳感器DS18b20 檢測的溫度，并記錄結果，如圖10 所示，這里對比研究了雙管并聯與單MOSFET 兩種方案的發熱量。