《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種用于無(wú)刷直流電機(jī)控制器的低成本專用電路
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
王曉蕾，徐 彥，王振興，涂金生，王傳傲，朱 毅
合肥工業(yè)大學(xué) 微電子學(xué)院，安徽 合肥230009
摘要： 為了降低無(wú)刷直流電機(jī)控制器的內(nèi)部電路的復(fù)雜性，提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的專用電路，可用于驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的微控制器。通過電動(dòng)機(jī)上位置傳感器將轉(zhuǎn)子位置信號(hào)傳遞給控制器電路，并得到位置傳感器的輸出真值表，然后利用Logisim軟件，得到對(duì)應(yīng)的數(shù)字邏輯電路。利用Cadence的仿真工具NC-Verilog simulator得到仿真波形。以80C51為主控芯片，通過外接電路的方式完成最終的驗(yàn)證分析。通過此專用電路將可使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。此專用電路可用于生產(chǎn)成本低廉和對(duì)控制精度要求不高的無(wú)刷直流電機(jī)控制器。
中圖分類號(hào)： TM351
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190354
中文引用格式： 王曉蕾，徐彥，王振興，等. 一種用于無(wú)刷直流電機(jī)控制器的低成本專用電路[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(8)：124-127，130.
英文引用格式： Wang Xiaolei，Xu Yan，Wang Zhenxing，et al. A low cost special circuit for brushless direct current motor controller[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(8)：124-127，130.
A low cost special circuit for brushless direct current motor controller
Wang Xiaolei，Xu Yan，Wang Zhenxing，Tu Jinsheng，Wang Chuan′ao，Zhu Yi
College of Microelectronics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China
Abstract： In order to reduce the complexity of the internal circuit of brushless direct current motor(BLDCM) controller, a special circuit with simple structure is proposed, which can be used to drive the microcontroller of BLDCM. The position signal of the rotor is transmitted to the controller circuit by the position sensor on the motor, and the output truth table of the position sensor is obtained. Then the corresponding digital logic circuit is obtained by using Logisim software. The simulation waveform is obtained by using the simulation tool NC-Verilog simulator of Cadence. With 80C51 as the main control chip, the final verification and analysis is completed by the way of external circuit. Through this special circuit, the rotor of the motor can rotate clockwise or counterclockwise. This special circuit can be used for the controller of brushless DC motor with low cost and low control precision.
Key words : brushless DC motor；rotor position；special circuit；low cost

0 引言

    傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)雖然線性機(jī)械特性十分優(yōu)良，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的外部的扭矩足夠大，但電動(dòng)機(jī)的電刷和換向器磨損嚴(yán)重，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部微控制器結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，這些因素的存在使傳統(tǒng)電機(jī)的可維護(hù)性很差。

    21世紀(jì)以來(lái)，電子換向器技術(shù)日益成熟，促使電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部開始使用電子換向器，機(jī)械電刷的使用率大幅下降，機(jī)械換向器也逐漸被淘汰。使用電子換向器讓電動(dòng)機(jī)克服了機(jī)械換向器易損耗的缺點(diǎn)，同時(shí)也使得電動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單[1]。但大部分無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制電路仍然很復(fù)雜，產(chǎn)生問題時(shí)不容易維護(hù)。

    本文在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，提出了一種用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低廉的專用電路，此電路可以固定跟隨定子的電流方向，控制電機(jī)進(jìn)行正向旋轉(zhuǎn)或反向旋轉(zhuǎn)，并控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制。

1 無(wú)刷電機(jī)工作原理

    三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，永久磁鋼材料的定子可以產(chǎn)生充滿整個(gè)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣體間隙的磁場(chǎng)，而電動(dòng)機(jī)的電樞繞組通以電流后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨著電流變化而變化的電樞磁場(chǎng)。

    為了使電動(dòng)機(jī)始終保持在最佳運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，就需要使電機(jī)產(chǎn)生的扭矩達(dá)到最大且方向隨時(shí)間不斷變化，這可以通過使電機(jī)內(nèi)兩個(gè)磁場(chǎng)的方向一直相互垂直的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。若僅僅使用普通直流電源，則電樞磁場(chǎng)的方向不會(huì)改變，而轉(zhuǎn)子磁鋼一直在做圓周運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)磁場(chǎng)的方向無(wú)法一直保持相互垂直的狀態(tài)。所以，必須要使用換向裝置。

    換向裝置通過位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，通過控制電路完成換向的邏輯操作，使直流電源可以在三相之間來(lái)回切換，讓電樞繞組接收到不同的電信號(hào)，產(chǎn)生變化的電樞磁場(chǎng)，如圖1所示[2]。

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2 無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)專用電路

2.1 定子繞組

    為了對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和調(diào)整，控制系統(tǒng)的專用電路需要根據(jù)位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，來(lái)控制電子開關(guān)電路的功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷，最后通入到電樞繞組的某一相中。該相的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)[3]。電動(dòng)機(jī)上的定子繞組的位置如圖2所示。

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2.2 電子開關(guān)電路

    本文采用三相星形聯(lián)結(jié)全控電路，如圖3所示。此電路每次導(dǎo)通其中兩個(gè)功率管，這兩個(gè)功率管在轉(zhuǎn)子經(jīng)過120°電角度所持續(xù)的時(shí)間內(nèi)保持導(dǎo)通狀態(tài)[4]。每當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過60°電角度后，電動(dòng)機(jī)就必須改變一次相位，改變相位后，兩個(gè)正在導(dǎo)通的功率管其中一個(gè)被斷開，電路中未導(dǎo)通的功率管按照電路接收到的電信號(hào)導(dǎo)通其中一個(gè)。

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    認(rèn)定轉(zhuǎn)矩正方向?yàn)榱魅腚姌欣@組的電流所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩方向。先導(dǎo)通功率管的是T1與T2，電流從T1管流入，從T2管回到電源，在這過程中，經(jīng)過了A相和C相繞組。Ta和-Tc合成后得到Tac，大小為dzyj4-t3-x1.gifTa，方向?yàn)閮上蛄康慕瞧椒志€方向，如圖4所示。

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    當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°后，功率管T1關(guān)斷，停止通電，而功率管T3開始通入電流。這時(shí)，電流從T3管流入，從T2回到電源。在這過程中，經(jīng)過了B相和C相繞組。Tb和-Tc合成后得到Tbc，大小仍然為dzyj4-t3-x1.gifTa，方向?yàn)閮上蛄康慕瞧椒志€方向。此時(shí)合成的轉(zhuǎn)矩如圖5所示[5]。

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    此后每次換相時(shí)，變化過程與前述過程基本相同，僅僅改變了打開和關(guān)斷的功率管。圖6表示出了整個(gè)換相變化過程中全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。

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2.3 控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路

    為了觀察到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，來(lái)判斷電機(jī)下一步該執(zhí)行的操作，確定定子繞組應(yīng)該獲得的電流大小和電流方向，將三個(gè)位置傳感器C1、C2、C3連接到電動(dòng)機(jī)。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器接收轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，傳遞給控制器電路，以此來(lái)控制定子電流，傳感器在電動(dòng)機(jī)上的位置如圖7所示[6]。

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    如表1所示，位置傳感器C1、C2和C3產(chǎn)生的信號(hào)分別由Ha、Hb和Hc表示，另加一個(gè)CW/CCW的信號(hào)。如果在CW/CCW端口上給出高電平信號(hào)(1)，則轉(zhuǎn)子將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果給出低電平信號(hào)(0)，則轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl分別連接到電動(dòng)機(jī)定子繞組。根據(jù)輸入信號(hào)，控制器的驅(qū)動(dòng)電路將給出輸出信號(hào)以控制順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

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    當(dāng)CW/CCW為高電平時(shí)，如果轉(zhuǎn)子位于傳感器C1的位置，Ha為高電平，C2和C3為低電平，則控制器電路必須給出60°的信號(hào)，將轉(zhuǎn)子從0°移動(dòng)到60°。轉(zhuǎn)子角度的其他變換過程與此過程類似。對(duì)于逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將CW/CCW端口電壓置為低電平即可。

    結(jié)合表1，利用Logisim軟件，可以得到上述真值表對(duì)應(yīng)的數(shù)字邏輯電路。Ha、Hb、Hc和CW/CCW端口作為數(shù)字邏輯電路的輸入端口，Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl端口作為數(shù)字邏輯電路的輸出端口。整個(gè)數(shù)字邏輯電路僅由非門、三輸入與門和或門組成[7]，如圖8所示。

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3 電路仿真和測(cè)試結(jié)果

3.1 電路仿真

    利用80C51芯片對(duì)本文設(shè)計(jì)的專用驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行最終的驗(yàn)證分析[8]。輸入信號(hào)是由外電路各開關(guān)的閉合來(lái)產(chǎn)生高低電平信號(hào)，以此來(lái)模仿Ha、Hb、Hc和CW/CCW的高低電平信號(hào)。開關(guān)閉合表示此端口輸入為高電平[9]。開關(guān)S1、S2、S3和S4分別對(duì)應(yīng)Ha、Hb、Hc和CW/CCW的電平信號(hào)。R1、R2、R3和R4的值均為2 kΩ。

    輸出信號(hào)是由外電路各LED燈的亮滅情況來(lái)顯示對(duì)應(yīng)支路的高低電平信號(hào)，以此來(lái)模仿Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl的高低電平信號(hào)。端口電路的LED燈亮?xí)r表示此端口輸出為低電平。LED1、LED2、LED3、LED4、LED5和LED6分別對(duì)應(yīng)Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl的電平信號(hào)。RL1、RL2、RL3、RL4、RL5和RL6的電阻值均為4.7 kΩ，如圖9所示。

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3.2 仿真結(jié)果

    利用Cadence的仿真工具NC-Verilog simulator得到仿真波形，如圖10所示。圖10中的變量名與圖6控制系統(tǒng)的邏輯電路圖一一對(duì)應(yīng)。

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    當(dāng)CW/CCW輸入端的開關(guān)閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。對(duì)應(yīng)輸出端口輸出低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的電路上LED燈亮；對(duì)應(yīng)輸出端口輸出高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的電路上LED燈滅。

    當(dāng)CW/CCW輸入端的開關(guān)斷開時(shí)，電動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)輸出端口輸出低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的電路上LED燈亮；對(duì)應(yīng)輸出端口輸出高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的電路上LED燈滅。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)預(yù)期符合得很好。實(shí)驗(yàn)所用80C51芯片和LED燈顯示模塊如圖11所示。

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4 結(jié)論

    本文仿真結(jié)果說(shuō)明該專用于無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的邏輯電路，可以替代以往復(fù)雜的控制電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的微控制器運(yùn)轉(zhuǎn)[10]。這種邏輯電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低廉，易于維護(hù)，應(yīng)用范圍非常廣泛。因此，該專用電路可用在使用低成本的三相無(wú)刷直流電機(jī)的相關(guān)產(chǎn)品上，以降低生產(chǎn)成本。

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作者信息:

王曉蕾，徐  彥，王振興，涂金生，王傳傲，朱  毅

(合肥工業(yè)大學(xué) 微電子學(xué)院，安徽 合肥230009)

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