永磁無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

蘇州城市學(xué)院 郭 佳

直流電機(jī)具有調(diào)速性能好、運(yùn)行效率高、控制簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，在較長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但是其機(jī)械接觸換向器和電刷的存在帶來了火花、噪聲、電磁干擾以及壽命短等致命弱點(diǎn)，從而限制了其應(yīng)用范圍[1-3]。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和矢量控制技術(shù)的進(jìn)步，高性能的交流感應(yīng)電機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，可有效彌補(bǔ)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不足[4-5]。但交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)矢量控制需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，控制算法相當(dāng)復(fù)雜[6]。

因此，尋找一種既具有直流電機(jī)控制簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好、運(yùn)行效率高，同時(shí)又具備交流電機(jī)無電刷、維修方便等優(yōu)點(diǎn)于一體的新型電機(jī)便成為許多科技工作者的任務(wù)。隨著電子器件和永磁材料的發(fā)展，采用電子換相并集上述直流電機(jī)和交流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一身的永磁無刷直流電機(jī)一經(jīng)問世便得到了廣泛應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)了一款較為常用的永磁無刷直流電機(jī)控制器，首先介紹了控制器的相關(guān)理論知識(shí)，然后重點(diǎn)闡述永磁無刷直流電機(jī)控制器的軟硬件設(shè)計(jì)，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制器可成功驅(qū)動(dòng)永磁無刷電機(jī)，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。本文對(duì)促進(jìn)永磁無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 永磁無刷直流電機(jī)控制器理論

永磁無刷直流電機(jī)控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由直流電源Vdc 供電，晶體管Q1～Q6組成三相橋電路，D1～D6旁路二極管為電子換相提供續(xù)流。圖中ua、ub、uc為控制器各端點(diǎn)相電壓，ia、ib、ic為相電流。

圖1 BLDC 驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的直流電機(jī)依靠碳刷實(shí)現(xiàn)機(jī)械換相不同，無刷直流電機(jī)利用電子換相，需要知道轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置。電機(jī)軸端安裝有霍爾傳感器，其高低電平變化表征轉(zhuǎn)子的位置，控制器知道轉(zhuǎn)子運(yùn)行區(qū)間后，從而控制6個(gè)晶體管輸出特定導(dǎo)通狀態(tài)，依據(jù)定子線圈通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)，為無刷電機(jī)繞組提供三相交變電流，從而驅(qū)使電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此過程稱之換相，表1為電子換相順序表，其中Ha、Hb、Hc為120°霍爾信號(hào)，共有8個(gè)狀態(tài)，000和111不是有效的狀態(tài)，其余6個(gè)狀態(tài)表征了轉(zhuǎn)子位置所在的電氣區(qū)間。

表1 電子換相順序表

2 控制器軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

圖2為本文所設(shè)計(jì)控制器的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括電源管理模塊、單片機(jī)模塊、三相橋電路及其橋驅(qū)等部分。同時(shí)，電路中還包括溫度傳感器，直流電流采樣器，直流電壓檢測(cè)器等電子元件，方便單片機(jī)實(shí)時(shí)采樣工作信號(hào)，有效監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)控制器不受損壞。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖

其中，單片機(jī)選用ST 公司32位單片機(jī)STM32F030C8T6。該芯片是Arm 架構(gòu)，M0內(nèi)核主頻高達(dá)48MHz，具有多個(gè)16位定時(shí)器，1個(gè)12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換通道，并有特定定時(shí)器1為電機(jī)控制提供所需六路PWM 信號(hào)，價(jià)格便宜，能很好契合需求。

三相橋晶體管選用MaxPower 公司的N 溝道MOSFET（增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管）MXP6003AF。該晶體管具有較低的導(dǎo)通電阻，優(yōu)越的開關(guān)性能，很高的雪崩擊穿耐量，室溫條件下工作電流高達(dá)268A，在電機(jī)控制領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

橋驅(qū)采用的是PT5619芯片。該芯片在同一顆芯片中同時(shí)集成了三個(gè)90V 半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，特別適合三相電機(jī)應(yīng)用中MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)。芯片還內(nèi)置了死區(qū)時(shí)間和上下管直通保護(hù)邏輯，可有效阻止半橋電路損壞。同時(shí)，先進(jìn)的高壓BCD 制程和內(nèi)置共模噪聲消除技術(shù)使得驅(qū)動(dòng)器在噪聲環(huán)境中能夠穩(wěn)定工作。

溫度傳感器使用10K 的NTC（負(fù)溫度系數(shù)）電阻，直流電流通過2mΩ 高精密采樣電阻獲取，電壓通過電阻網(wǎng)絡(luò)分壓得到。以上信號(hào)皆接入單片機(jī)ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）口，以便程序進(jìn)行處理。

圖3為所設(shè)計(jì)的永磁無刷直流電機(jī)控制器。圖中可清晰地看到功率部分位于電路板左側(cè)，三相橋電路的6個(gè)晶體管整齊排布，走線整潔順暢。控制部分位于右側(cè)，與功率部分涇渭分明，受干擾小，電路穩(wěn)定性強(qiáng)。控制器電路板大小僅為50×60mm2，布局較為緊湊，功率密度較高。

圖3 無刷直流電機(jī)控制器電路板

2.2 軟件設(shè)計(jì)

控制軟件在Keil 5中使用C 語言開發(fā)，圖4為軟件程序流程圖。

圖4 軟件流程圖

主程序用于完成單片機(jī)各外設(shè)初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)。程序重點(diǎn)在于霍爾信號(hào)捕獲中斷，圖4中虛線箭頭即為中斷服務(wù)程序的進(jìn)入退出方向。在中斷服務(wù)函數(shù)中判斷電壓、電流、溫度是否正常，若有異常，則執(zhí)行保護(hù)程序，關(guān)閉PWM 驅(qū)動(dòng)輸出，并關(guān)停電機(jī)退出中斷。若運(yùn)行過程沒有異常則根據(jù)表1的換相邏輯切換晶體管的導(dǎo)通時(shí)序，從而實(shí)現(xiàn)電子換相，轉(zhuǎn)動(dòng)無刷電機(jī)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

表2是所用永磁無刷直流電機(jī)的電機(jī)參數(shù)，額定電壓20V，額定轉(zhuǎn)速高達(dá)10000rpm，需要較高頻率的PWM 驅(qū)動(dòng)，為此須謹(jǐn)慎考慮晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)電阻。驅(qū)動(dòng)電阻選擇若是過大，PWM 開啟關(guān)斷不夠迅速，造成晶體管發(fā)熱，影響其壽命。驅(qū)動(dòng)電阻過小，則會(huì)引起PWM 開關(guān)振蕩，亦會(huì)增大晶體管功耗，嚴(yán)重者可直接擊穿晶體管。

表2 電機(jī)參數(shù)

圖5是無刷電機(jī)在全速運(yùn)行時(shí)的波形，從上到下依次是控制器a 相電壓以及a 相電流。根據(jù)波形可快速計(jì)算出電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速在10000rpm左右。

圖5 全速相電壓相電流波形

圖6是無刷電機(jī)調(diào)速運(yùn)行時(shí)的a 相電壓和a 相電流，由圖可知雖然調(diào)速過程存在開關(guān)噪聲，但噪聲毛刺始終在MOSFET 可承受電壓范圍內(nèi)，可見驅(qū)動(dòng)電阻選擇相對(duì)合理，硬件設(shè)計(jì)較為可靠。圖7是三相霍爾信號(hào)Ha，Hb，Hc以及a 相下管驅(qū)動(dòng)波形，對(duì)照表1換相邏輯，可見軟件編程符合設(shè)計(jì)理論。

圖6 調(diào)速相電壓相電流波形

圖7 三相霍爾信號(hào)與a 相下管驅(qū)動(dòng)波形

4 總結(jié)

無刷直流電機(jī)由于無碳刷、高壽命、易控制等優(yōu)勢(shì)深受市場(chǎng)青睞。本文主要介紹了永磁無刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的控制器額定電壓20V，能夠驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速10000rpm 的無刷電機(jī)。本文從理論到實(shí)踐設(shè)計(jì)，再到最后試驗(yàn)驗(yàn)證，充分證明本次設(shè)計(jì)的科學(xué)性與實(shí)用性。