無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

魏崇毓，徐連偉

（青島科技大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 青島266061）

無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

魏崇毓，徐連偉

（青島科技大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 青島266061）

無刷直流電機(jī)在近幾年被迅速推廣應(yīng)用，它具有高效節(jié)能，控制簡單且易于維護(hù)的特點(diǎn)?；贛OSFET功率管短時過載能力比較小、電機(jī)速率控制不穩(wěn)定的問題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種基于FAN73892驅(qū)動芯片的電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方案，結(jié)合電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的硬件電路及軟件方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要實(shí)現(xiàn)了MOSFET的保護(hù)電路及利用FAN73892驅(qū)動芯片的電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。通過測試，驗(yàn)證了基于驅(qū)動芯片F(xiàn)AN73892的設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的整體性能，提高了系統(tǒng)的實(shí)用可靠性。

無刷直流電機(jī)；FAN73892；MOSFET保護(hù)；驅(qū)動電路

無刷直流電機(jī)（BLDCM）因?yàn)榭煽啃愿?，維護(hù)便利、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，遍及于大功率開關(guān)器件的應(yīng)用之中，并與專用集成電路、新型控制理論及電機(jī)理論的成長緊密連系，體現(xiàn)著當(dāng)今科學(xué)的許多最新成效，因此具有廣泛的應(yīng)用前景和強(qiáng)大的生命力[1-2]。

電機(jī)的驅(qū)動電路部分與數(shù)字控制部分相比較，為伺服控制系統(tǒng)中的重要組成部分，驅(qū)動電路是主控芯片與直流無刷電機(jī)聯(lián)結(jié)的紐帶[3]。因而，電機(jī)驅(qū)動電路的性能將直接影響到該系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

1 電機(jī)系統(tǒng)控制原理

文中的設(shè)計(jì)采用的直流無刷電機(jī)為三相六狀態(tài)，兩兩導(dǎo)通的方式[4]。電機(jī)系統(tǒng)主要由CPU主控芯片、換相電路、基于FAN73892的驅(qū)動電路、電流及電壓檢測保護(hù)電路以及霍爾信號處理電路組成，其中換相電路是由6個MOSFET組成的三相全橋電路。系統(tǒng)工作時，主控芯片分析位置，發(fā)送信號到FAN73892輸入端，由FAN73892驅(qū)動換相電路，控制MOSFET功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷。利用霍爾信號傳感器判斷現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制[5]。

圖1 控制方案圖

2 驅(qū)動系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

無刷直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要構(gòu)成如圖2所示，REPMM為電動機(jī)本體，HA，HB，HC為轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測產(chǎn)生的霍爾信號，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)通過對轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的信號（HA、HB、HC）進(jìn)行邏輯變換，即傳送到電路里的為數(shù)字信號，從而產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號PWM，經(jīng)過放大處理后傳送至逆變器的功率開關(guān)，從而控制電機(jī)按一定順序正常進(jìn)行工作。

圖2 無刷直流電動機(jī)驅(qū)動示意圖

2.1 基于FAN73892的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

FAN73892是單片三相半橋柵極驅(qū)動器，設(shè)計(jì)用于高壓、高速驅(qū)動MOSFET的工作頻率高達(dá)600 V。同時也是中小容量的功率場效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）功率器件專用柵極驅(qū)動芯片，通過自舉電路工作原理[6]，縮減MOSFET的開關(guān)時間，有助于盡量降低開關(guān)損耗，改善功率密度，提升整體轉(zhuǎn)換效率。它可以驅(qū)動橋式電路的低壓側(cè)的功率器件，可以驅(qū)動高側(cè)電源組件，因此它被廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制、伺服驅(qū)動、UPS電源等[7]。

無刷直流電機(jī)采用三相橋式逆變電路[8]，正常情況下需要四組獨(dú)立電源，這使驅(qū)動電路變得較為復(fù)雜，導(dǎo)致逆變器的可靠性降低，采用國外一家公司生產(chǎn)的專用芯片F(xiàn)AN73892，這款芯片只需一個供電電源便可驅(qū)動三相橋式逆變電路的6個功率開關(guān)器件，使得驅(qū)動電路變得簡單可靠。同時可提供更高的開關(guān)頻率PWM調(diào)速控制[9]，因此本文選擇了專用驅(qū)動芯片F(xiàn)AN73892來驅(qū)動六個功率器件，只需一個供電電源去驅(qū)動FAN73892，即可驅(qū)動三相橋式逆變電路中的6個MOSFET，圖3為FAN73892驅(qū)動逆變器功率管的電路原理圖。

圖3 基于FAN73892的電機(jī)驅(qū)動電路

如圖 3所示，U2極為 FAN73892驅(qū)動芯片，HO1-HO3，LO1-LO3分別為圖3中MOSFET功率管開關(guān)器件的驅(qū)動信號輸出端，驅(qū)動信號先經(jīng)過集成于FAN73892內(nèi)部的脈沖處理器和電平移位器進(jìn)行電位變換等，送至CPU進(jìn)行處理。HIN1～HIN3，LIN1～LIN3為MOSFET功率管驅(qū)動信號的輸入端。正常工作時，霍爾信號經(jīng)過變換傳入CPU處理，CPU根據(jù)PID算法調(diào)試PWM信號傳送給FAN73892的HIN1～HIN3、LIN1～LIN3。輸入6個引腳的驅(qū)動信號經(jīng)輸入信號處理器處理后變?yōu)?路輸出脈沖信號，傳送給6個MOSFET用于驅(qū)動換相電路。

圖中C10～C12，C28～C30是自舉電容，為了防止當(dāng)外電流發(fā)生過流或者直通時，電路的驅(qū)動信號檢測器迅速翻轉(zhuǎn)，造成器件的損壞。二極管D1、D2、D3與電阻R1、R2、R3分別串聯(lián)，組成了漏源極之間的保護(hù)電路，二極管的主要是為了限制柵極電壓在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值以下，保護(hù)MOSFET不被擊穿，電阻是為了釋放電荷，不然電荷積累，電荷的積累也會使MOSFET被擊穿。因此這部分電路屬于MOSFET的內(nèi)部電壓保護(hù)電路。

ITRIP為過流信號檢測輸入端，也在一定程度上起到保護(hù)電路的作用。FAULT為過流、直通、過壓、欠壓保護(hù)輸出端。FAULT故障引腳和單片機(jī)的外部中斷由單片機(jī)連接引腳中斷程序處理發(fā)生故障，當(dāng)點(diǎn)擊發(fā)生過流或者直通時，則FAN73892內(nèi)部的店里比較器迅速翻轉(zhuǎn)，封鎖3路輸入脈沖信號處理器的輸出，保護(hù)功率器，保護(hù)功率管，同時FAULT腳故障信號。

2.2 MOSFET保護(hù)電路設(shè)計(jì)

對于現(xiàn)在傳統(tǒng)的三相直流無刷電機(jī)，一般采用三相六狀態(tài)[10]，120度導(dǎo)通方式，其換相電路開關(guān)器件采用MOSFET器件，開關(guān)器件動作的實(shí)現(xiàn)需要獨(dú)立的驅(qū)動電路，且供電電源相互隔離。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。6只MOSFET功率管作為開關(guān)器件使用，構(gòu)成三相橋式結(jié)構(gòu)。若是將他們根據(jù)一定的組合方法和頻率進(jìn)行開關(guān)，則能對三相無刷直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。

表1 三相六狀態(tài)

功率MOSFET的導(dǎo)通順序如表1所示，系統(tǒng)采用三相六狀態(tài)的控制方法，由于每周的運(yùn)動需經(jīng)歷六次換相，每一相都有一個上橋臂和一個下橋臂為導(dǎo)通狀態(tài)，但每一對上下管不能同時導(dǎo)通，否則相當(dāng)于電源短路。這六相分別為：Q1+Q6，Q3+Q6，Q3+Q2，Q5+Q2，Q5+Q4，Q1+Q4。在每一個階段，根據(jù)不同的功率MOSFET的導(dǎo)通，電流在電機(jī)中不同的方向流經(jīng)不同的線圈，不斷的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢，從而推動電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動[11]。

由于MOSFET管承受短時過載能力比較小，特別在高頻的應(yīng)用場合，必須對功率MOSFET管設(shè)計(jì)合理的保護(hù)電路，以便提高器件的可靠性[12]。對功率MOSFET驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計(jì)時，首先，采用MOS驅(qū)動器的輸出與MOS管之間串聯(lián)電阻的方法，避免在功率管在導(dǎo)通和快速關(guān)閉時，由于漏極電壓的震蕩頻率造成的di/dt過高而誤導(dǎo)通的現(xiàn)象。如圖3所示，R4～R9是MOSFET的門極驅(qū)動電阻。其次，MOS管柵極可以采用并聯(lián)電阻的方式來釋放柵極電荷，防止柵源極之間過電壓。為了防止漏源極之間過電壓，通常采用C緩沖電路等保護(hù)措施。設(shè)計(jì)MOSFET保護(hù)電路如圖4所示，I_SEN信號為MOSFET上獲取的電流信號，當(dāng)電流過大或者發(fā)生短路時，I_SEN會迅速增加并超過額定值，造成MOSFET器件燒毀。因此增加了MOSFET的電路保護(hù)電路，經(jīng)過U5（放大器），轉(zhuǎn)換為電壓保護(hù)電路。

圖4 MOSFET保護(hù)電路

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用美國Keil Software公司的Keil μVision4集成開發(fā)環(huán)境，使用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。在主程序中，執(zhí)行每個模塊的初始化程序和調(diào)節(jié)速度，根據(jù)控制信號的不同，可執(zhí)行3種動作：制動停止、自然結(jié)束以及反轉(zhuǎn)和加減速。制動停止即緊急停止，再遇特殊情況下啟動，一般情況選擇默認(rèn)的自然結(jié)束。

霍爾信號的電子傳感器是依據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用霍爾元件的集成電路完成電子定子或者轉(zhuǎn)子的測速[13]。主要原理就是：轉(zhuǎn)子的磁極掠過霍爾原件時，根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前磁極的極性霍爾元件會輸出對應(yīng)的高或低電平，這樣只要根據(jù)霍爾元件產(chǎn)生的電平時序就可以判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置，并相應(yīng)的對定子繞組進(jìn)行通電[14-15]?；魻栃盘栔苯优c施密特電路連接，對高電平進(jìn)行計(jì)數(shù)以便判斷此時電機(jī)的速度及轉(zhuǎn)向。

根據(jù)監(jiān)聽外部控制信號，判斷是否有控制信號，當(dāng)監(jiān)聽到控制信號后，根據(jù)控制信號的控制指令，調(diào)用PID算法[16-17]，調(diào)整PWM信號的占空比，將新的占空比賦給各個MOSFET功率管，產(chǎn)生相應(yīng)動作指令。

圖5 主程序流程圖

4 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)了一種通過專用驅(qū)動芯片F(xiàn)AN73892驅(qū)動功率MOSFET的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)驅(qū)動功能，還能有效地防止電機(jī)過流以及直通現(xiàn)象的發(fā)生，能有效的提高系統(tǒng)的可靠性。從硬件部分和軟件流程兩方面對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件部分，介紹了FAN73892驅(qū)動芯片和MOSFET保護(hù)電路兩部分設(shè)計(jì)電路，軟件部分簡要介紹了程序流程圖。經(jīng)過實(shí)際的組裝及測試，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，并可以調(diào)速，反轉(zhuǎn)，制動停止，具有良好的通用性，可為直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用參考。

[1]宋蕊，無刷直流電機(jī)驅(qū)動電動車驅(qū)動力矩控制研究[D].長春：吉林大學(xué)，2015.

[2]Chen Y T，Chiu C L，Jhang Y R，et al.A driver for the Single-Phase brushless DC fan motor with Hybrid winding structure[J].Industrial Electronics IEEE Transactions on，2013，60（10）:4369-4375.

[3]張建祥，陸輝山.基于FPGA的直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技視界，2016，4（1）：11-29.

[4]馬洪雨，帕孜來，馬合木提，等.基于單片機(jī)的電動摩托車無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（4）：168-170.

[5]鄒靖.無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制策略研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2015.

[6]石堅(jiān)，李鐵才.一種消除無刷直流電動機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動的PWM調(diào)制策略 [J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32（24）:110-116.

[7]王大方，卜德明，朱成，等.一種減小無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動的調(diào)制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2014，29（5）：160-166.

[8]賁禮進(jìn)，陳繼永，浦振托.基于永磁直流電機(jī)的工業(yè)縫紉機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電機(jī)，2014，47（10）：70-75.

[9]任先進(jìn)，馬瑞卿，盧穎，等.無刷直流電機(jī)在電動轉(zhuǎn)轍機(jī)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].微電機(jī)，2016，49（1）：64-67.

[10]閆岐軒，吳建華.一種高速單相無刷直流電機(jī)的控制方法[J].機(jī)電工程，2016，33（3）:293-297.

[11]劉燕.無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[12]郭鴻浩，周波，劉穎，等.永磁無刷直流電機(jī)角加速度估計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報，2014，29（5）：93-103.

[13]蘭羽，張順星.基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2013，36（12）：84-91

[14]鄭偉峰.基于霍爾磁環(huán)組合技術(shù)的新型角度傳感器研究[J].中國計(jì)量，2013，4（1）：72-74.

[15]張海燕.霍爾傳感器特性應(yīng)用研究[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2016，347（1）：87-157.

[16]王昕煒，苗榮霞 .鍛造操作機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制 [J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014（12）：1012-1017.

[17]張婧，馬訓(xùn)鳴.基于模糊PID控制的六自由度液壓系統(tǒng)[J].西安工程大學(xué)學(xué)報，2015（6）：702-707.

Design and optimization of brushless DC motor drive control system

WEI Chong-yu，XU Lian-wei
（Institue of Infromation Science and Technology，Qingdao University of Science&Technology，Qingdao 266061，China）

The brushless DC motor in recent years has been used widely.It has high efficiency and energy saving，easy maintenance and simple control features.Research on MOSFET power tube short-term overload capacity is relatively small and unstable based on motor speed control.The design of a motor drive circuit based on FAN73892 driver chip design and optimization.Combined with the hardware circuit and software design scheme of the motor drive system.The main realization of such a design.The protection circuit of MOSFET and the design of motor drive circuit using FAN73892 drive chip are mainly realized.Through the test，verify the design scheme of driver chip based on FAN73892 The overall performance of the motor drive system is optimized，and the practical reliability of the system is improved.

brushless DC motor；FAN73892；MOSFET protection；drive circuit

TN081

A

1674-6236（2017）09-0113-04

2016-04-01稿件編號：201604013

魏崇毓（1957—），男，江蘇徐州人，博士，教授。研究方向：通信與電子系統(tǒng)。