一種小功率高溫無刷直流電動機驅(qū)動器設計
摘要：設計了一種能夠在高溫環(huán)境下工作的小功率無刷直流電動機驅(qū)動器。驅(qū)動器邏輯部分采用高性能的單片機，開關主電路中采用特殊結構，省去了功率器件的驅(qū)動芯片，整個驅(qū)動器只需一個外部電源。驅(qū)動器具有開環(huán)調(diào)速和恒功率運行等控制功能。實驗結果表明該驅(qū)動器可在150℃高溫環(huán)境下穩(wěn)定運行。
關鍵詞：無刷直流電動機；小功率；驅(qū)動器；高溫；實驗
0 引 言
高溫電機在石油測井、航天及國防等領域有廣泛的應用，目前一般采用感應電機但感應電機存在功率因數(shù)低、損耗大、效率低，溫升高，而且速度和功率控制電路非常復雜。無刷直流電機轉(zhuǎn)子為永磁結構，轉(zhuǎn)子無電流、效率高、功率密度大、驅(qū)動電路簡單、控制方便，因而是替代高溫感應電機的理想產(chǎn)品。驅(qū)動電路是無刷直流電機系統(tǒng)適應高溫環(huán)境的關鍵，必須滿足耐高溫、可靠性高等高溫環(huán)境的要求。本文針對這些要求設計開發(fā)了一種能夠在高溫環(huán)境下工作的小功率無刷直流電動機的驅(qū)動器。該驅(qū)動器采用了高等級的軍工級器件，可驅(qū)動額定電壓為12 V、額定電流小于2 A的無刷直流電機，具有開環(huán)速度調(diào)節(jié)和恒功率運行等控制功能。驅(qū)動器的邏輯部分采用高性能的單片機；開關主電路中采用了特殊結構，從而省去了功率器件的隔離或懸浮自舉驅(qū)動芯片，大大簡化了驅(qū)動電路的結構；邏輯電路部分的電源由功率電源穩(wěn)壓得到，從而使整個驅(qū)動器只需一個外部電源。對驅(qū)動器在150℃的高溫環(huán)境下進行的運行實驗證明了其運行的可靠性。
1系統(tǒng)硬件電路設計驅(qū)動器硬件主要包括單片機電路、開關主電路、限流保護電路等原理圖如圖1所示。
l_1單片機部分
驅(qū)動器的邏輯部分采用具有A／D轉(zhuǎn)換、PwM信號輸出功能的耐高溫單片機芯片。該部分主要完成電機轉(zhuǎn)子位置信號的采集、電動機換相邏輯信號的生成、PwM信號的生成、電機正／反轉(zhuǎn)控制和起動／停止控制等功能。
(1)換相邏輯信號產(chǎn)生單片機根據(jù)電機轉(zhuǎn)子位置信號給出換相邏輯信號。圖1中單片機的P1．O、P1．1、P1．2引腳連接電機轉(zhuǎn)子位置傳感器，采集轉(zhuǎn)子位置信號。P2．O、P2．1、P2．2、P2．3、P2．4、P2．5引腳為換相邏輯控制信號的輸出端。單片機通過編程把電機轉(zhuǎn)子位置信號轉(zhuǎn)換為對應的換相邏輯。電機運行時根據(jù)采集到的電機轉(zhuǎn)子位置信號HAl、HA2、HA3通過向P2口送對應控制字的方式把6路換相邏輯信號送到 P2．0、P2．1、P2．2、P2．3、P2．4、P2．5引腳。
(2)PwM信號生成驅(qū)動器的速度調(diào)節(jié)采用脈寬調(diào)制方法，即通過改變PWM信號的占空比來控制電機電樞電壓，從而實現(xiàn)開環(huán)調(diào)速。該驅(qū)動器采用給單片機輸入一個可調(diào)的模擬電壓的方式來調(diào)節(jié)PWM信號的占空比。
單片機的P2．7引腳為PWM信號輸出端。
PwM信號的頻率由單片機內(nèi)的寄存器PWMl值確定。PWM信號的占空比由寄存器PwM0的值確定。在單片機的一個A／D轉(zhuǎn)換輸入端P1．7引腳輸入模擬電壓信號SPCIN。該模擬電壓經(jīng)單片機采樣轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量，再送到寄存器PwM0來改變PWM信號的占空比，實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。
為了提高A／D轉(zhuǎn)換的精度，本文采用了圖2所示的PWM信號占空比給定電路。占空比給定信號不是直接接到單片機的P1．7引腳，而是中間經(jīng)過一個運放電壓跟隨環(huán)節(jié)和一個Rc濾波環(huán)節(jié)。這樣的輸人電路可以為單片機內(nèi)AD(：采樣電容上的殘留電壓提供快速放電通道，從而減少其對所輸入模擬信號的影響，同時圖中的Rc網(wǎng)絡還可以濾除輸入信號中的高頻干擾。圖中Dl、D2為5 V穩(wěn)壓管，可防止輸入到A／D口的模擬信號大于單片機的工作電壓而使單片機芯片損壞。
(3)起動／停止控制驅(qū)動器控制電機的起動／停止是通過在P3．3引腳上輸入信號RucN實現(xiàn)的。當RucN為高電平時電機起動，為低電平時停止轉(zhuǎn)動。
(4)正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)控制驅(qū)動器控制電機的正、反轉(zhuǎn)是通過在P3．2引腳上輸入信號DIC：N實現(xiàn)的。當DI(：N為高電平時電機正轉(zhuǎn)，為低電平時反轉(zhuǎn)。
1．2開關主電路
驅(qū)動器采用了圖3所示的開關主電路。上橋臂功率管Tl、B、_r5為P溝道的MOSFET，下橋臂功率管T2T4、T6為N溝道的MOSFET。
下橋臂的N溝道MOSFET可直接由邏輯電路驅(qū)動。上橋臂的P溝道MOSFET的驅(qū)動電路由三極管和電阻構成，通過電阻分壓構造管子的驅(qū)動電壓。
以A橋臂為例，當驅(qū)動信號Q1為高電平時，三極管D1飽和導通，此時Tl管的柵極對地電壓為Dl的飽和壓降加上艘上的電壓。取R2《R1，R2上的電壓可忽略，另外Dl的飽和壓降可近似為零，因此Tl管的柵極對地電壓近似為零，Tl管柵源電壓近似為一12 V，這樣就使T1管導通。
這種開關主電路和驅(qū)動方式省去隔離或自舉驅(qū)動芯片，簡化了驅(qū)動器電路，適合于高溫環(huán)境下小功率電機驅(qū)動。
圖中Rtest為電流檢測采樣電阻。其上電壓正比于繞組電流，為限流電路提供電流采樣信號。這種電流采樣方式省去了專用電流傳感器，簡單可靠，適合與高溫環(huán)境。
1．3限流恒功率
控制電路在保持橋臂電壓不變的情況下，把電機母線電流的平均值限制在一個固定值，則電機系統(tǒng)的輸入輸入功率恒定，此時如果電機損耗基本不變，則電機的輸出功率也近似恒定，實現(xiàn)了近似恒功率運行。
恒功率運行可以保護電機本體、驅(qū)動電路以及該電機所驅(qū)動的設備。本文設計的限流控制電路由運算放大器及其外圍電路組成，如圖4所示。
定值時比較器輸出低電平，當母線電流低于設定值時比較器輸出高電平，從而控制功率器件通斷，使母線電流平均值保持恒定，實現(xiàn)恒功率控制。
l_4驅(qū)動器電源
驅(qū)動器功率部分電源電壓為+12 V，邏輯電路部分器件工作電壓為+5 V。本文采用集成穩(wěn)壓器7805將功率電源的+12 V穩(wěn)壓后得到+5 V電壓，為邏輯電路部分的供電，從而省去了外部+5 V電源。另外電路中集成運放選用了單電源供電器件，省去了負電源，這樣整個驅(qū)動器只需一個外部電源+12 V電源，大大簡化了為驅(qū)動器供電的電源，有利于高溫環(huán)境運行。
本文選用的單片機分別設置了獨立的模擬電源引腳AV。。和數(shù)字電源引腳DV。。。為可以防止AVDD被DVDD上的數(shù)字信號噪聲干擾。本文采用了圖5所示的單片機供電電路。AVDD和DVDD之間用一個磁珠串連一個1 n電阻隔開防止干擾，同時再并聯(lián)兩個反方向的肖特基二極管，防止Av。。和DVDD之間電位差過大而使芯片損壞。
2系統(tǒng)軟件設計
單片機系統(tǒng)軟件主要由主程序、換相控制子程序、A／D轉(zhuǎn)換子程序和PwM信號設定子程序組成。主程序流程如圖6所示。
(1)換相控制子程序所設計的驅(qū)動器用于驅(qū)動三相星形聯(lián)接無刷直流電機，采用二二導通方式，6種導通狀態(tài)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)60。變換一種狀態(tài)。單片機通過向P2口送控制的方式實現(xiàn)換相控制。表l是換相控制子程序中的換相控制字(正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn))。電機起動后單片機根據(jù)從P1．0、P1．1、P1．2引腳采集到電機位置信號HAl、HA2、ItA3，向P2口送相應的控制字進行換相控制。
(2)A／D轉(zhuǎn)換子程序A／D轉(zhuǎn)換子程序把P1．7引腳輸人的用于占空比給定的模擬信號進行采樣并轉(zhuǎn)換成一個12位數(shù)字量，再送入到寄存器PWM0。為了實現(xiàn)電機的連續(xù)調(diào)速功能，本文首先通過AD控制特殊寄存器設置AD為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，這樣可為PWM占空比控制寄存器提供隨占空比給定信號變化的數(shù)字量。
(3)PwM信號設定子程序。
該子程序主要功能一是設定PWM信號的頻率，二是根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換的結果及時更新占空比設定寄存器PwM0的值，從而改變PWM信號的占空比，使驅(qū)動器具有連續(xù)調(diào)速功能。PWM定時器工作頻率為12 MHz，PwM信號頻率為4 kHz。此時寄存器PWMl的設定值為12 MHZ，4 kHz=101110111000B。
3實驗
本文對研制的驅(qū)動器進行了高溫環(huán)境運行的實 驗和限流恒功率運行實驗。
(1)高溫運行試驗把驅(qū)動器放入恒溫箱，調(diào)節(jié)恒溫箱溫度達到150℃并保持恒溫，然后起動電機，電機負載加到額定值，通過改變PwM占空比進行在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)速試驗，在連續(xù)運行3小時過程中，電機及驅(qū)動器運行正常，母線電流值和相電流波形無變化。圖7是沒有限流和PwM控制時相電流的實測波形。重復以上實驗10次，電機及驅(qū)動器累計運行30小時，驅(qū)動器運行正常，器件完好。
(2)限流試驗逐漸增大電機的負載轉(zhuǎn)矩，直到電機電流達到限流電路的設定值，限流電路起作用。圖8實測的限流時限流電路輸出波形和母線電流波形。上面波形為母線電流波形，下面的波形為限流電路的輸出信號波形�？梢钥闯觯妇�電流被限制在一個恒定值以下，實現(xiàn)了恒功率運行。
4結語
(1)本文所設計的小功率高溫無刷直流電機驅(qū)動器，采用了特殊的開關主電路結構，省去了功率器件的驅(qū)動芯片；整個電路只需一個外部電源，電路結構簡單，適合高溫運行。
(2)驅(qū)動器能夠具有開環(huán)調(diào)速控制功能，同時還具有限流功能，能夠?qū)崿F(xiàn)恒功率控制，起到保護電機及驅(qū)動器的作用。
(3)高溫實驗證明了驅(qū)動器可以在150℃的高溫環(huán)境下可靠運行。
參考文獻[1]張�。绷鳠o刷電動機原理及應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2004．[2] 王曉明 電動機的單片機控制[M] 北京：北京航空航天大學出版社，2002．
作者簡介：鄒繼明(1967一)，男，副教授，研究方向為特種電機及其驅(qū)動控制。
陳萬連(1983一)，女，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。
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