一種無刷直流電機驅動器的設計與實現(xiàn)

馬 昭

（西安航空學院，電子工程學院，西安 710077）

有刷直流電機沒有電子元件進行換相，在換相時零器件間有摩擦，產(chǎn)生電氣接觸火花、無線電信號干擾和使用壽命縮短等問題，在高溫環(huán)境和惡劣環(huán)境中可能只能工作幾分鐘而已，這些問題就使有刷直流電機穩(wěn)定性變得很差，一旦損壞幾乎不能維修和制作的成本大大提高，因此很難在一些復雜領域應用及發(fā)展。而無刷直流電機采用了電力電子器件進行換相，和有刷電機的機械換相有很大區(qū)別，逆變器和轉子位置檢測器構成了換向器。無刷直流電機的優(yōu)點更多，這些優(yōu)點包括電機的體積更小、不用頻繁地進行維修和檢測、穩(wěn)定性更高、沒有電氣接觸火花、可工作于不良環(huán)境中、優(yōu)良的轉矩特性，不會再出現(xiàn)有刷直流電機機械換相帶來的不好的問題。無刷直流電機因其良好的機械電氣特性，在工業(yè)領域得到了廣泛的應用[1]。

1 無刷直流電機控制系統(tǒng)的拓撲結構

本設計無刷直流電機控制系統(tǒng)的拓撲結構如圖1 所示[2]，主要由控制和功率部分組成。控制部分主要包括單片機控制核心、按鍵電路和LCD1602 顯示電路，控制部分是驅動器的核心單元，主要完成電機位置檢測、串口通信、LCD1602 液晶驅動顯示、按鍵檢測及PWM 控制信號的產(chǎn)生。功率部分是實現(xiàn)電機控制的能量來源，主要由直流電源輸入、三相逆變電路、穩(wěn)壓電路、驅動電路及保護電路構成。直流電源是驅動器的直流輸入部分；三相逆變電路實現(xiàn)將直流電逆變成三相交流電控制電機運轉，采用六步換相法對電機進行控制；穩(wěn)壓電路將輸入直流電壓降壓提供給驅動芯片和控制電路供電；驅動電路將單片機產(chǎn)生的PWM 信號放大后驅動驅動電路的開關管；LCD1602 顯示電機的運行參數(shù)；保護電路通過檢測電機的電流，防止電機堵轉或者過載等情況異常時造成電機和驅動器損壞。

圖1 無刷直流電機驅動器拓撲結構Fig.1 Brushless DC motor driver topology

2 無刷直流電機閉環(huán)控制策略

無刷直流電機功率電路高頻開關過程會產(chǎn)生高頻干擾，微分環(huán)節(jié)會加劇對系統(tǒng)影響，因此采用PI 調節(jié)器實現(xiàn)對無刷電機的速度閉環(huán)控制，其控制結構框圖如圖2 所示。

圖2 無刷直流電機閉環(huán)控制結構Fig.2 Structure diagram of brushless DC motor closed-loop control

控制器接收上位機發(fā)送的速度給定指令，該速度值和HALL 傳感器計算轉速做差得到誤差信號，經(jīng)PI 運算后得到PWM 占空比，經(jīng)過功率電路控制電機，從而實現(xiàn)對電機轉速閉環(huán)控制。

無刷直流電機在啟動、停止或者輸入較大突變時，易產(chǎn)生較大偏差，積分環(huán)節(jié)可能短時間積累較多誤差，引起電機轉速出現(xiàn)較大超調，嚴重會出現(xiàn)電機失控，本設計采用積分分離方法改善電機穩(wěn)定性[3]。積分分離控制算法為

式中：u（k）為PI 調節(jié)器的輸出；kp為比例系數(shù)；error（k）為速度給定和反饋誤差；β 為積分項開關系統(tǒng)；T 為采樣周期。

當|error（k）|＞ε 時，采用P 比例控制，避免產(chǎn)生較大超調；

當|error（k）|≤ε 時，采用PI 比例積分控制，可保證具有較高的轉速控制精度[4]。

3 硬件電路設計

3.1 功率主電路和電流檢測電路

無刷直流電機驅動器的功率主電路如圖3 所示。圖中由6 個N 溝道MOSFET 構成的三相全橋逆變電路，通過按照一定規(guī)律控制6 個開關管柵源極間電壓控制開關管的導通與關斷，可以實現(xiàn)將直流電壓逆變成三相交流電，從而實現(xiàn)電機的運動控制。控制開關管的占空比，實現(xiàn)輸出電壓控制，從而調節(jié)電機轉速。

圖3 無刷直流電機驅動器主電路Fig.3 Main circuit of brushless DC motor driver

由于電機電流一定會流經(jīng)上管和下管功率開關管，因此電機繞組的電流檢測通過在下管對地之間串接低阻值具有一定功率的檢測電阻實現(xiàn)，電流流經(jīng)電阻時，電阻兩端會產(chǎn)生電壓降，該電壓經(jīng)過圖中R2和C7構成的一階低通濾波器后IS 信號提供給電流保護單元，實現(xiàn)對電機的過流保護，該方法簡單有效。本設計采用串聯(lián)0.1 Ω/2 W 的功率電阻實現(xiàn)對電機的電流檢測。

3.2 驅動電路

單片機產(chǎn)生的PWM 控制信號功率較小，不足以驅動MOSFET 導通和關斷，采用集成半橋驅動芯片IR2104，該芯片可以同時完成一對上下橋臂的驅動控制。本設計采用3 片IR2104 芯片驅動三相全橋上的功率MOS 管。其驅動電路原理圖如圖4所示。

圖4 無刷直流電機驅動器驅動電路Fig.4 Brushless DC motor driver circuit

圖中C4是自舉電容，D1是給自舉電容充電的快速二極管。D1使用快恢復二極管1N4148，當下管Q4導通時，+12 V 電壓通過二極管D1、電容C4及Q4構成的回路給電容C4充電，提供給上管驅動的電壓。當下管關斷時，C4電壓提供給上管導通的驅動電壓，電容C4放電[5]。通過R19和R31為MOSFET柵極與IR2104 的輸出之間的驅動電阻，該電阻阻值可以調整開關管開通和關斷速度，本設計選擇10 Ω 驅動電阻。R27和R35為MOSFET的泄放電阻，防止靜電擊穿和MOSFET 誤導通。此設計使用的MOSFET 為AOD2610，60 V/46 A，導通電阻10.7 mΩ，具有較低的導通電阻，可以降低驅動器的導通損耗。

3.3 控制電路

驅動器的主控制采用STC89C52RC 單片機，具有豐富的外設、高速性能、低功耗和較高的抗干擾和抗靜電能力，能夠滿足驅動器的設計要求。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 HALL 轉速獲取程序

PWM 捕獲中斷是用來檢測霍爾信號變化及轉速、方向等信息的更新。當霍爾引腳接口輸入電平發(fā)生變化時產(chǎn)生霍爾中斷。在霍爾中斷服務函數(shù)中，首先讀取霍爾信號的電平，獲取當前轉子所在扇區(qū)，然后通過與上次霍爾中斷的霍爾編碼即轉子位置進行比較，判斷無刷電機轉子的轉動方向，再通過計算捕獲寄存器的值來計算電機轉子轉速，PWM 捕獲中斷流程如圖5 所示。

圖5 PWM 捕獲中斷流程Fig.5 PWM capture interrupt flow chart

4.2 定時器控制PI 中斷程序

主程序中定義全局變量T_cnt，1 ms 定時器中斷加一，通過對這個變量進行判斷，以調用不同的控制子函數(shù)，使轉速的控制周期為0.1 ms。無刷電機速度環(huán)通過速度環(huán)PI 計算進一步獲得PWM 占空比驅動信號。無刷直流電機轉速控制流程圖如圖6所示。

圖6 定時器控制PI 中斷流程Fig.6 Timer controlling PI interrupt flow chart

4.3 串口中斷程序

驅動器支持串口指令控制方式，串口接口用來接收串口指令，實現(xiàn)對電機的正轉、反轉、停止、轉速設定等功能，通過判斷數(shù)據(jù)幀的幀頭和幀尾，數(shù)據(jù)和校驗，然后更新相關的控制指令，其流程如圖7所示。

圖7 串口中斷流程Fig.7 Serial interrupt flow chart

5 試驗分析

為驗證設計結果正確性，制作試驗電路板焊接元器件，搭建硬件試驗平臺，主要包括直流電源、無刷電機驅動板和測試電機，實物樣機如圖8 所示。

圖8 實驗樣機平臺Fig.8 Experimental prototype platform

無刷直流電機驅動器輸入直流電壓28 V，通過上位機串口發(fā)送串口數(shù)據(jù)指令，啟動電機，設定轉速為3000 r/min，用示波器測量驅動器的輸出三相電壓波形，如圖9 所示。

圖9 驅動器輸出電壓波形Fig.9 Driver output voltage waveform

由圖9 可以看出，三相輸出電壓波形相位依次相差120°，波形一致，周期為10 ms，各相電壓幅值為28 V，電壓波形良好。

6 結語

本文介紹了無刷直流電機驅動器的結構及控制策略，設計了無刷直流電機驅動器的硬件電路，并對軟件工作流程進行了詳細介紹，最終進行PCB制板焊接并搭建了無刷直流電機驅動器實物，通過對測試電機進行功能測試和閉環(huán)測試，得到了試驗波形，通過試驗波形分析，該設計能夠實現(xiàn)無刷直流電機驅動器控制，達到了設計要求。