基于A3938三相無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的研究與設(shè)計(jì)

郭昕剛,李 航

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

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基于A3938三相無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的研究與設(shè)計(jì)

郭昕剛,李 航

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

三相無(wú)刷直流電機(jī)是同步電機(jī)的一種，使用A3938電機(jī)控制芯片對(duì)其進(jìn)行模式設(shè)置，使A3938運(yùn)行在PWM模式，通過(guò)所產(chǎn)生的PWM信號(hào)對(duì)六組N-MOS管組成的全橋電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制MOSFET的通斷,從而控制無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。以A3938為核心的控制電路、以MOS管為主要元件的全橋驅(qū)動(dòng)電路及相應(yīng)的電源電路的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

無(wú)刷直流電機(jī); A3938; 全橋驅(qū)動(dòng)電路

0 引 言

當(dāng)今社會(huì)的高速發(fā)展對(duì)電子產(chǎn)業(yè)及機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)有著較強(qiáng)的依賴(lài)性，電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域有著不可動(dòng)搖的地位。電機(jī)的使用已經(jīng)遍及人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，隨著晶體管器件和半導(dǎo)體器件的發(fā)展，電機(jī)衍生出了無(wú)刷直流電機(jī)這一類(lèi)別，無(wú)刷直流電機(jī)不需要機(jī)械換向刷，而是以電子換向器取代機(jī)械電刷，有著其獨(dú)有的特性[1]。

無(wú)刷直流電機(jī)是同步電機(jī)的一種類(lèi)型，無(wú)刷直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和霍爾傳感器等結(jié)構(gòu)組合而成，其定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)頻率相同，解決了一般感應(yīng)電機(jī)的頻差問(wèn)題[2]。無(wú)刷直流電機(jī)又分為單相無(wú)刷直流電機(jī)、雙相無(wú)刷直流電機(jī)和三相無(wú)刷直流電機(jī)，其中以三相無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用較為廣泛。

三相無(wú)刷直流電機(jī)主要通過(guò)定子與轉(zhuǎn)子之間磁場(chǎng)的相互作用使電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，可通過(guò)PWM信號(hào)的輸入實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)置三相無(wú)刷直流電機(jī)的控制芯片A3938為PWM模式，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號(hào)，然后控制MOS管驅(qū)動(dòng)電路，即N-MOS全橋驅(qū)動(dòng)電路上下臂，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和方向的變化。整體的系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三相無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)是帶霍爾傳感器的三相無(wú)刷直流電機(jī)，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路的MOS管通斷來(lái)控制相應(yīng)轉(zhuǎn)子磁體，使電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并結(jié)合霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置以精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。電機(jī)的霍爾控制如圖2所示。

圖2 霍爾傳感器測(cè)量原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊作為整個(gè)驅(qū)動(dòng)板的供電模塊，需要其擁有穩(wěn)定的供電性能和優(yōu)越的可靠性，在本設(shè)計(jì)中，電源電路主要通過(guò)開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓，使輸出電壓固定在5 V。用LM2596來(lái)控制電源電路主要因?yàn)槠溆兄姸鄡?yōu)點(diǎn)，有很多其他器件無(wú)法比擬的優(yōu)越性[4]。首先，LM2596可以輸出3.3、5、12 V的固定電壓，這是設(shè)計(jì)中考慮到的，設(shè)計(jì)中采用12 V轉(zhuǎn)5 V的固定電壓對(duì)驅(qū)動(dòng)板供電；LM2596的輸出還具有良好的線(xiàn)性，負(fù)載可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且內(nèi)部的振蕩頻率較高，可達(dá)150 kHz，功耗較以前的開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器更小而且效率更高；LM2596還具有過(guò)熱保護(hù)功能和限流保護(hù)功能，當(dāng)該器件的溫度或電流達(dá)到一定峰值，會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)以達(dá)到保護(hù)電路的功能；LM2596的外圍電路也十分簡(jiǎn)單，也是設(shè)計(jì)中選擇它來(lái)控制電源的主要原因之一，只用到了幾個(gè)外圍原件，可以輕松實(shí)現(xiàn)電源電路的功能。

本設(shè)計(jì)的電源模塊原理如圖3所示。

圖3 電源模塊原理圖

外圍電路較為簡(jiǎn)單，只需要選擇適合參數(shù)的元器件就可以控制輸出的固定電壓值。引腳1為電壓輸入引腳，通過(guò)LM2596穩(wěn)壓從引腳2輸出5 V電壓。該電源電路中的二極管的反向耐壓值需要達(dá)到最大輸入電壓的1.25倍，另外，此二極管還需要有快速恢復(fù)的功能。所需要的二極管還需要有開(kāi)關(guān)速度迅速和正向壓降較低的特性，所以選擇肖特基二極管IN5824作為電源電路中的吸納二極管。圖3中C22、C24電容用來(lái)通交流隔直流，C21、C23為濾波電容，用來(lái)濾除相應(yīng)的噪聲。

2.2 控制模塊設(shè)計(jì)

A3938控制模塊如圖4所示。

圖4 A3938控制模塊原理圖

控制模塊是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的核心模塊，主要通過(guò)設(shè)置A3938控制芯片為PWM模式來(lái)對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)行控制。A3938是一個(gè)三相功率MOS控制器，主要對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行控制，可以用于使用脈沖寬度調(diào)制電流來(lái)進(jìn)行控制的三相無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。A3938工作的最高電壓為50 V。經(jīng)過(guò)A3938的控制輸出三組MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)。A3938還對(duì)電源模塊提供的5 V電壓進(jìn)行升壓處理，輸出15 V的電壓為后續(xù)的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供驅(qū)動(dòng)條件。A3938還可以連接霍爾傳感器，利用霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置[5-6]，通過(guò)PWM信號(hào)的輸出，調(diào)節(jié)PWM的占空比改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)DIR引腳可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向(見(jiàn)圖4)。結(jié)合霍爾傳感器的控制就能使電機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)。A3938輸出的電壓范圍是12～50 V，其內(nèi)部提供的5 V邏輯電壓能控制MOSFET的保護(hù)和掉電功能。A3938的內(nèi)部電路保護(hù)功能可防止滯后過(guò)熱帶來(lái)的損壞和電流交叉產(chǎn)生的影響[7]。

圖4中REF引腳接的是參考電壓，用于內(nèi)部電流保護(hù)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)過(guò)電路時(shí)與預(yù)設(shè)的電壓值進(jìn)行比較，超過(guò)預(yù)設(shè)電壓會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)。H1、H2、H3引腳用于連接霍爾傳感器，控制與檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。MODE引腳用于選擇工作模式，MODE=1，BRKSEL=0，即JP2的2引腳和3引腳短接，JP1跳線(xiàn)不連。RESET引腳為使能引腳，用于對(duì)芯片進(jìn)行使能。設(shè)置為1時(shí),電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)或者減速轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置為0時(shí)，則允許G端控制，在本設(shè)計(jì)中通過(guò)MOS管驅(qū)動(dòng)電路的柵極驅(qū)動(dòng)，所以設(shè)置為0。SENSE引腳外接一個(gè)轉(zhuǎn)換電阻，當(dāng)MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的上下臂MOS同時(shí)導(dǎo)通時(shí),傳感器會(huì)感應(yīng)到大電流，可以防止MOS的短接，起到保護(hù)電路的作用。GHA、GHB、GHC引腳連接的是MOS管驅(qū)動(dòng)電路的G端驅(qū)動(dòng)高電平，即這3個(gè)引腳連接全橋驅(qū)動(dòng)電路的上臂MOS管的柵極。而GLA、GLB、GLC引腳連接的是MOS管驅(qū)動(dòng)電路的G端低電平，即這3個(gè)引腳連接全橋驅(qū)動(dòng)電路下臂MOS管的柵極。SA、SB、SC引腳用于連接電機(jī)端子，SA連接motor A、SB連接motor B、SC連接motor C，用于控制電機(jī)的3個(gè)端子，產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)動(dòng)次序。

2.3 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊主要通過(guò)三組MOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)MOS控制電路，即全橋驅(qū)動(dòng)電路，如圖5所示。

圖5 全橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖

一個(gè)三相全橋電路的安排是用于電機(jī)控制器和電機(jī)之間的功率接口，相比于半橋電路，選擇全橋電路是因?yàn)樗鼡碛懈叩呐ぞ剌敵瞿芰8]，選擇電橋電路的目的是按電機(jī)真值表的要求使電機(jī)的3個(gè)端子接通電流。

2.4 實(shí)物演示

實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 實(shí)物圖

3 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)基于A3938的三相無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)，A3938電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，利用全橋電路對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)在于使用驅(qū)動(dòng)芯片A3938來(lái)控制電路，易于集成控制，大大降低了普通驅(qū)動(dòng)電路的控制難度，在一個(gè)集成度更高的器件上實(shí)現(xiàn)控制功能。同時(shí)，高集成度也提高了控制的效率，更加適合生產(chǎn)工作時(shí)對(duì)效率的要求。

[1] 夏長(zhǎng)亮.無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[2] 張琛.直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3] Sun Jun Park. A new approachfor minimum-torque-ripple maximum-efficiency control of BLDC motor [J]. IEEE Trans. Ind. Elect.,2000,47(1)：109-114.

[4] Daniel Torres. Sensorless control of a brushless DC motor [J]. Control Engineering,2010,57(4):54-57.

[5] 楊影,阮毅,陶生桂，等.一種新型無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào).2010,14(2):60-64.

[6] 孫雅雯.一種新型無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng),2013,24:27-28.

[7] 安志勇,楊帆，曹秒,等.一種基于STC單片機(jī)和絕對(duì)式編碼器的步進(jìn)電機(jī)控制方法[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013,34(1):64-67.

[8] 李偉東,唐萬(wàn)軍,龐佑兵.一種低功耗的三項(xiàng)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué),2010,40(2):252-255.

Research and design of three-phase brushless dc motor drive board based on A3938

GUO Xingang,LI Hang

(School of Computer Science and Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012，China)

Three-phase brushless dc motor is a kind of synchronous motor,using the motor control chip A3938 and set the pattern ,making the A3938 at PWM mood. With the three pair of PWM signals,it can drive the full-bridge circuit which is made of N-MOS. More than that,the circuit control MOSFET on and off,this leads to the running of motor. A3938 is the core of the circuit and combine with the full-bridge circuit and the power supply circuit,the drive of three-phase brushless dc motor is realized.

brushless dc motor; A3938; full-bridge drive circuit.

2016-04-23

吉林省教育廳基金資助項(xiàng)目(2014137)

郭昕剛(1979-)，男，漢族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)副教授,碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向研究,E-mail:6889068@qq.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.5.12

TP 331.2

A

1674-1374(2016)05-0474-05