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一種基于小功率高溫無刷直流電動機驅動器設計
摘要: 本文所設計的小功率高溫無刷直流電機驅動器,采用了特殊的開關主電路結構,省去了功率器件的驅動芯片;整個電路只需一個外部電源,電路結構簡單,適合高溫運行。
Abstract:
Key words :

  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。無刷直流電機轉子為永磁結構,轉子無電流、效率高、功率密度大、驅動電路簡單、控制方便,因而是替代高溫感應電機的理想產品。驅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動器。該驅動器采用了高等級的軍工級器件,可驅動額定電壓為12 V、額定電流小于2 A的無刷直流電機,具有開環(huán)速度調節(jié)和恒功率運行等控制功能。驅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動芯片,大大簡化了驅動電路的結構;邏輯電路部分的電源由功率電源穩(wěn)壓得到,從而使整個驅動器只需一個外部電源。對驅動器在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。

一種基于小功率高溫無刷直流<a class=電動機驅動器設計" height="221" onclick="get_larger(this)" src="http://files.chinaaet.com/images/20100914/1456410c-d61c-4b4e-809e-66a74a1dd5c0.jpg" width="300" />

  l_1單片機部分

  驅動器的邏輯部分采用具有A/D轉換、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/反轉控制和起動/停止控制等功能。

 

  (1)換相邏輯信號產生單片機根據(jù)電機轉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引腳連接電機轉子位置傳感器,采集轉子位置信號。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子位置信號轉換為對應的換相邏輯。電機運行時根據(jù)采集到的電機轉子位置信號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信號生成驅動器的速度調節(jié)采用脈寬調制方法,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)調速。該驅動器采用給單片機輸入一個可調的模擬電壓的方式來調節(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轉換輸入端P1.7引腳輸入模擬電壓信號SPCIN。該模擬電壓經單片機采樣轉換成的數(shù)字量,再送到寄存器PwM0來改變PWM信號的占空比,實現(xiàn)速度調節(jié)。

  為了提高A/D轉換的精度,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。

 

一種基于小功率高溫無刷直流電動機驅動器設計

  (3)起動/停止控制驅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,為低電平時停止轉動。

  (4)正轉/反轉控制驅動器控制電機的正、反轉是通過在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,為低電平時反轉。

  1.2開關主電路

  驅動器采用了圖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。

一種基于小功率高溫無刷直流電動機驅動器設計

  下橋臂的N溝道MOSFET可直接由邏輯電路驅動。上橋臂的P溝道MOSFET的驅動電路由三極管和電阻構成,通過電阻分壓構造管子的驅動電壓。

  以A橋臂為例,當驅動信號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動方式省去隔離或自舉驅動芯片,簡化了驅動器電路,適合于高溫環(huán)境下小功率電機驅動。

  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、驅動電路以及該電機所驅動的設備。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。

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  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驅動器電源

  驅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,這樣整個驅動器只需一個外部電源+12 V電源,大大簡化了為驅動器供電的電源,有利于高溫環(huán)境運行。

一種基于小功率高溫無刷直流電動機驅動器設計

  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。

一種基于小功率高溫無刷直流電動機驅動器設計

  (1)換相控制子程序所設計的驅動器用于驅動三相星形聯(lián)接無刷直流電機,采用二二導通方式,6種導通狀態(tài),轉子每轉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(正轉和反轉)。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。

一種基于小功率高溫無刷直流電動機驅動器設計

  (2)A/D轉換子程序A/D轉換子程序把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。

一種基于小功率高溫無刷直流電動機驅動器設計

  (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,使驅動器具有連續(xù)調速功能。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。

 

一種基于小功率高溫無刷直流電動機驅動器設計

  3實驗

  本文對研制的驅動器進行了高溫環(huán)境運行的實    驗和限流恒功率運行實驗。

  (1)高溫運行試驗把驅動器放入恒溫箱,調節(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連續(xù)調速試驗,在連續(xù)運行3小時過程中,電機及驅動器運行正常,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,電機及驅動器累計運行30小時,驅動器運行正常,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?,母線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動器,采用了特殊的開關主電路結構,省去了功率器件的驅動芯片;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)驅動器能夠具有開環(huán)調速控制功能,同時還具有限流功能,能夠實現(xiàn)恒功率控制,起到保護電機及驅動器的作用。

  (3)高溫實驗證明了驅動器可以在150℃的高溫環(huán)境下可靠運行。

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