直流無刷電機驅(qū)動電路設(shè)計
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【摘要】本文分析了直流無刷電機的特點和工作原理，提出了一種電子開關(guān)電路的設(shè)計，通過智能功率模塊實現(xiàn)信號處理電路，通過基于CPLD的數(shù)字邏輯電路，實現(xiàn)直流無刷電機驅(qū)動電路的設(shè)計方案。并對組成驅(qū)動電路的各個電路模塊進(jìn)行了分析和設(shè)計。
【關(guān)鍵詞】直流無刷電機驅(qū)動電路電子開關(guān)CPLD
引言
電動機做為電能和機械能的轉(zhuǎn)換裝置，在生產(chǎn)和生活中得到廣泛的應(yīng)用。直流電機具有啟動轉(zhuǎn)矩大，響應(yīng)速度快，可以以額定轉(zhuǎn)矩啟動等優(yōu)點，但傳統(tǒng)的直流電機均采用電刷機械換向，由于機械摩擦帶來了噪聲、火花、無線電干擾等致命弱點。針對直流電機的上述弊端，人們研制出了以電子換向代替機械換向的直流無刷電機。此外，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，可以將電機控制所必須的功能做在芯片里面，而且體積越來越小，使得應(yīng)用很方便。由于直流無刷電機具備了傳統(tǒng)直流電機的優(yōu)點，同時克服了傳統(tǒng)直流電機的一些致命缺陷。目前，各種類型的直流無刷電機在國民經(jīng)濟的各領(lǐng)域，例如在家電、機械、汽車工業(yè)、精密機床工業(yè)和軍事工業(yè)等制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并處于大力發(fā)展階段。
一、直流無刷電機的結(jié)構(gòu)
直流無刷電機和普通直流電機的工作原理和工作特性是相同的，其結(jié)構(gòu)的不同之處在于換向部分，普通直流電機是采用機械的方式換向，而直流無刷電機有專門的換向電路，采用電子方式換向?，F(xiàn)在常見的直流無刷電機的機械結(jié)構(gòu)為：定子由轉(zhuǎn)樞繞組構(gòu)成，轉(zhuǎn)子是能夠提供磁場的永磁體。和其他直流類電機一樣，直流無刷電機之所以能夠轉(zhuǎn)動，是由于直流無刷電機可以在不同的磁極方向下改變電樞的電流方向，從而使轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩保持一個方向，以實現(xiàn)持續(xù)轉(zhuǎn)動。為了使電樞電流隨著轉(zhuǎn)子的位置改變，必須有相應(yīng)的換流裝置。直流無刷電機的換流裝置主要由用于檢測轉(zhuǎn)子和定子之間相對位置的傳感器和相應(yīng)的控制電路構(gòu)成。為了檢測轉(zhuǎn)子和定子的相對位置，位置傳感器必須由兩部分構(gòu)成，一部分安裝在轉(zhuǎn)子上，一部分安裝在定子上。常見的位置傳感器有電磁式、光電式、和磁敏式三種，在直流無刷電機中使用的是根據(jù)霍爾效應(yīng)工作的霍爾傳感器，屬于磁敏式位置傳感器?；魻杺鞲衅饔挚煞譃榫€性霍爾傳感器和開關(guān)霍爾傳感器兩種，開關(guān)霍爾傳感器抗干擾能力強，并且適合數(shù)字控制，所以直流無刷電機的位置傳感器選擇開關(guān)霍爾傳感器是很合適的?；魻杺鞲衅鞒Ｒ姷陌惭b方法有60度電角安裝和120度電角安裝兩種。
二、直流無刷電機的工作原理
直流無刷電機的驅(qū)動系統(tǒng)是由電機本體、位置傳感器、逆變電路組成的閉環(huán)系統(tǒng)。直流無刷電機工作的原理：當(dāng)定子繞組的某一項導(dǎo)通時，通過該繞組的電流和轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的磁場相互作用從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)動過程中，位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置并轉(zhuǎn)換成電信號，通過電信號控制逆變電路中的電子開關(guān)，使定子的各項繞組按照一定規(guī)律依次導(dǎo)通，從而實現(xiàn)定子繞組電流隨轉(zhuǎn)子位置變化并換相，電子開關(guān)電路隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步導(dǎo)通，從而實現(xiàn)與機械換相器等效的作用。為了改變速度，必須用一個比電機頻率大概高十倍的PWM波對原始的PWM進(jìn)行調(diào)制，用脈寬調(diào)制PWM的占空比去控制電機的速度。為了方便控制，專門引入一個方向控制信號DIR信號。
三、直流無刷電機驅(qū)動電路的設(shè)計方案
根據(jù)以上論述，要驅(qū)動并控制一臺直流無刷電機工作，至少需要電子開關(guān)電路和傳感器信號處理電路，在該論文中，電子開關(guān)電路通過智能功率模塊實現(xiàn)，信號處理電路通過基于CPLD的數(shù)字邏輯電路來實現(xiàn)。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，在信號處理電路和智能功率模塊之間加上光電隔離電路，同時為了使主控制器方便地控制電機驅(qū)動模塊，加入了主控制器與電機驅(qū)動模塊之間的接口信號PWM信號和DIR信號，主控制器通過PWM信號的占空比調(diào)節(jié)電機速度，通過DIR信號控制電機方向。
四、直流無刷電機驅(qū)動電路各個模塊設(shè)計
4.1智能功率模塊接口設(shè)計
為了保證逆變橋電路的可靠性，論文使用IPM(智能功率模塊)模塊代替電子開關(guān)電路。它將IGBT和具有自我保護(hù)和診斷功能、信號處理功能的電路集成在與一體構(gòu)成模塊化的芯片。IPM模塊可以實現(xiàn)直流無刷電機的逆變電路、驅(qū)動電路和許多其他控制電路的功能，使得電機控制器具有體積小、重量輕、設(shè)計簡單和可靠性高等顯著優(yōu)點，是驅(qū)動高性能直流無刷電機的理想器件。在設(shè)計中使用日本三菱電動機公司的PM75CSA120智能功率模塊，它內(nèi)部集成了6只IGBT,其額定負(fù)載電流為75A,額定控制電壓為1200V。另外還集成有過流檢測、過熱檢測、欠壓檢測、短路檢測等故障檢測電路。從圖中可以看出幾個故障信號是邏輯或的關(guān)系，所以只要其中的一個信號有效，IPM即會關(guān)斷，并輸出一個故障信號FO。FO輸入CPLD進(jìn)行處理，提高系統(tǒng)的可靠性。
4.2隔離電路設(shè)計
在設(shè)計中用光耦實現(xiàn)CPLD控制電路和智能功率模塊之間的電氣隔離，原因是光耦體積小，便于連接和使用。隔離電路包括六路控制信號的隔離和智能功率模塊反饋給CPLD的故障信號隔離。根據(jù)IPM對接口電路的要求,PWM信號輸入要用高速光耦器件,保護(hù)信號輸出可采用低速、高電流傳輸比的光耦。高速光耦要求脈沖的上升和下降時間(tPLH,tPHL)<0.8us;共模抑制(CMR)>1000V/us。論文中高速光耦采用6N137，低速光耦采用4N25。
五、結(jié)束語
該直流無刷電機驅(qū)動電路解決了直流電機均采用電刷機械換向單一性問題，克服了由于機械摩擦帶來了噪聲、火花、無線電干擾等問題。區(qū)別于傳統(tǒng)機械控制換向方式，利用位置傳感器的檢測電信號，控制逆變電路中的電子開關(guān)，使得電子開關(guān)電路隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步導(dǎo)通。經(jīng)測試，電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無失調(diào)及振動現(xiàn)象，驅(qū)動器功率單元無發(fā)熱現(xiàn)象。在進(jìn)行過熱保護(hù)測試時，當(dāng)電機溫度達(dá)到130°C時，驅(qū)動器過熱保護(hù)模塊能順利對電機進(jìn)行保護(hù)，達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。因此可以廣泛推廣。
作者：李志杰 金佛榮 郭玉霞 單位：甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院