【正文】 路 (ASIC)控制器、 FPGA、 CPLD、單片機和 DSP 控制器等方式。 無刷直流電機控制技術(shù)的發(fā)展趨勢 無刷直流電機主要由電機本體、驅(qū)動電路和位置傳感器三部分組成，其控制涉及電機技術(shù)、電力電子技術(shù)、檢測與傳感器技術(shù)和控制理論技術(shù)。控制器的全數(shù)字化將使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更加簡化。 2）控制器硬件電路設計： 設計分析一種以 CPLD為控制核心的 有位置傳感器無刷直流電機的驅(qū)動方案。 3）控制算法設計 : 根據(jù)已有的成熟算法，結(jié)合自身的應用場合和功能要求，選擇一種合適的控制算法。 213Q1PWM1213Q2PWM2213Q3PWM3213Q4PWM4213Q5PWM5213Q6PWM6VCCAB C 圖 22 三相橋逆變電路原理圖 其三個橋臂都是完全相同的結(jié)構(gòu)，通過門極輸入的 PWM控制信號，實現(xiàn)每相的 PWM 電壓輸出，實現(xiàn)對電機的調(diào)壓驅(qū)動。通常 P 溝道 FET 的性能較差，他有較高的柵極門限電壓、較高的 onR 以及較低的飽和電流 [9]。詳見逆變電路 MOS 管的驅(qū)動電路。 4）和 IN4744 構(gòu)成穩(wěn)壓電路，防止 GSV 擊穿： 柵源極擊穿電壓 VVGS 20?? ， IN4744 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值 15V。 1）芯片結(jié)構(gòu)及原理和典型電路 其主要由：輸入邏輯電路，電 平轉(zhuǎn)換器，低端功率晶體驅(qū)動管和高端晶體驅(qū)動管組成。而另一個上端 MOS的驅(qū)動信號 HO，以 VS點的電勢為零參考點。依舊以 MOS 管的 SRC 模型來等價描述這個電路，如下圖 212 所示。 U8TLP281104C19R49R50312D24LM431U7TLP281104C18R47R48312D23LM431V_HB1VS1+15VProtectFAULT_1FAULT_2VS1+5V2KR591CI2CIFIFVREFIzrCEV 圖 215 MOS管導通電流監(jiān)測報警電路子模塊 19 下面以如圖 215 所示，其中一個模塊為例加以說明電路的工作原理，其與來自逆變橋第一個橋臂 MOS 管導通電流采樣電路輸出的 1_FAULT 和 2_FAULT信號相對應。顯然降低截止頻率可以明顯提高濾波效果，但同時伴隨提高的時間系數(shù)， 會降低信號傳播的實時性。V5? 基準源來自電源管理模塊的 V5? 穩(wěn)壓輸出。 22 圖 219 LM2575結(jié)構(gòu)框圖 LM2575 典型應用電路如下圖 220 所示（如果需要負電壓輸出，可將其輸出反接實現(xiàn)）。 故方案中實際采用的 IN5819 肖特基二極管（允許反向電壓 40V，額定電流1A）滿足要求。 D19IN41481D20IN4148680pC3104C41KR23GND+5V1KR21100K312R22GND1TRIG2OUT3RESET4CONT5THRES6DISCH7VCC8NE555U1NE555PWMR1R2R3 圖 226電機轉(zhuǎn)速控制旋鈕電路： PWM生成電路 26 電機轉(zhuǎn)速 控制旋鈕電路如上圖 226所示： 其中虛線框中的部分電路，由 555 芯片的結(jié)構(gòu)（如下圖 227）可知，其構(gòu)成一個施密特觸發(fā)器 [11] 492。 29 PCB 設計 設計的 PCB 如下圖 23圖 234 所示： 圖 233 控制器 PCB正面 圖 234 控制器 PCB反面 30 圖 235 控制器 PCB板 3D視圖 經(jīng)過多次修改，綜合考慮了 PCB 板的電磁兼容性和布局尺寸因素 [12,13]。根據(jù)硬件的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕，還可進一步把這個參數(shù)行為劃分為：轉(zhuǎn)速增加和轉(zhuǎn)速減小。 CPLD 還須構(gòu)造一個用于分頻系統(tǒng)時鐘的可調(diào)分頻數(shù)的分頻器，用于產(chǎn)生驅(qū)動逆變橋 MOS 管的 PWM 波。 任務 2：電機正轉(zhuǎn) ?與電機轉(zhuǎn)子相適應的繞組正向旋轉(zhuǎn)磁場；電機反轉(zhuǎn) ? 與電機轉(zhuǎn)子相適應的繞組反向旋轉(zhuǎn)磁場； CPLD 通過控制逆變電路上 MOS 管的開關(guān)，來相應控制電機各相的導通。并且只要一次觸發(fā)后，在這個系統(tǒng)上電運行周期內(nèi)，始終有效，直到下次系統(tǒng)上電。其中方塊圖，即是用數(shù)學方程描述了輸入（ input）和輸出（ output）之間關(guān)系。 用 Simulink 仿真，可以分為兩個步驟： （ 1）用 Simulink 的方塊圖語言描述實際的物理系統(tǒng)，即建模的過程。這使得制動邏輯獲得最大的優(yōu)先級和可靠性。 （ 2）通過把這個 PWM（ 0）信號，和逆變橋上端 MOS 管控制信號（ ），進行?與（ AND）?操作。那么 CPLD 芯片只需讀取這個占空比的大小即可。 而控制器人機接口硬件電路，闡明了控制器至少應該能控制電機的轉(zhuǎn)速ω（ rad/s）這個運動參數(shù)。但問題出現(xiàn)了 ， CPLD 芯片沒 AD 轉(zhuǎn)化功能，系統(tǒng)中專門增加一塊 AD 芯片又無疑參加系統(tǒng)成本。 2)電機正反轉(zhuǎn)及制動按鈕和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕電路： 電機正反轉(zhuǎn)及制動按鈕電路如下圖 225所示： 213S1F/RSWSPDTS2STOPSWSPDT2KR272KR28101C10+5V104C11101C9101C8104C6102C5F/RSTOPS12S22123STOP外接控制端口123F/R外接控制端口+5V+5VS12S22 圖 225 電機正反轉(zhuǎn)按鈕電路 其中主要由兩個自鎖選擇按鍵構(gòu)成， S1F/R 控制電機的正反轉(zhuǎn)，開啟狀態(tài)（低電平）為正轉(zhuǎn)，按下（高電平）反轉(zhuǎn)； S2STOP 控制電機制動，按下（高電平）制動。而 15V 電壓輸出，至少使用耐壓值為 23V 的電容，故系統(tǒng)中取 25V。 LM2575 系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路芯片的主要參數(shù)如下： ? 最大輸出電流： 1A； ? 最大輸入電壓： 45V； ? 輸出電壓： 、 5V、 12V、 ADJ（可調(diào)）； ? 振蕩頻率： 54kHz； ? 最大穩(wěn)壓誤差： 4%； ? 轉(zhuǎn)換效率： 75%～ 88%（不同的電壓輸出的效率不同）； ? 工作溫度范圍： 40℃ ～ 125℃ 。 對應的信號檢測判斷電路如下圖 2 18 所示。其中 RC 濾波器的截止頻率為： ；時間系數(shù)： sT ? 。 實際電路如下圖 214 所示，其可以分為完全相同的 三個子模塊，分別對應MOS 逆變電路的一個臂。 1） MOS 管導通電流采樣電路： 依舊取逆變橋的基本構(gòu)成模塊，進行分析。 CPLD芯片的兩個端口（ U_Hin、 U_Lin）輸出對應信號控制橋臂，上下端 MOS管的導通邏輯控制 PWM信號，直接接 IR2181驅(qū)動芯片的輸出控制端口（ HIN、 LIN輸入引腳）。 IR2181S優(yōu)點是可靠性高，外圍電路簡單，兼容 5VLSTTL數(shù)字電路靜態(tài)規(guī)則。 10KR820KR6D6IN4744LO1CGS 圖 27 MOS管外圍驅(qū)動電路的等效電路 其中各元器件的作用如下： R6的 4 個 作用： 1）防止震蕩： 上級的 I/O輸出口及連接導線都會帶點分布電感，這使得在電壓突變的情況下可能和柵極電容 issC 形成 LC 振蕩，當它們之間串上 R6后，可增大阻尼而減小振蕩效果。這使得采用 CPLD 端口直驅(qū)（或加三極管信號放大直驅(qū)）的方式將不可行。故 MOS 中已經(jīng)集成的這個穩(wěn)壓二極管發(fā)揮著延續(xù)相電流流動，防止擊穿 MOS 管的作用。 人機接口：通過 LED 指示燈，顯示系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)；接收用戶的控制指令，生成相應的信號傳遞給主控芯片。 人機接口：顯示系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)，接收用戶的控制指令，生成相應 的信號傳遞給主控芯片。 本文的研究內(nèi)容 本論文針對現(xiàn)已廣泛應用的有位置傳感器的無刷直流電機，提出了一種采用CPLD 為控制核心的無刷直流電機驅(qū)動方案。例如，在一些對控制成本和空間要求嚴格的應用中，增加位置傳感器不太實用或無法接受，而 DSP 等芯片固有的高速計算能力正可被用來實現(xiàn)無刷直流 電機的無位置傳感器控制。 微 處 理 器（ 單 片 機 、D S P 等 ）驅(qū) 動 保 護電 路驅(qū) 動 電 路（ 逆 變 器 ）無 刷 直流 電 機位 置 檢 測 電 路外 圍設 備 圖 13 典型的無刷直流電機控制系統(tǒng) DSP 等微處理器強大 的計算能力使許多智能控制算法在無刷直流電機控制中得以實現(xiàn)，近年來無刷直流電機的全數(shù)字化智能控制成為業(yè)界相關(guān)人員的研究熱點 [8]。 3)無刷直流電機控制器研究 無刷直流電機控制器經(jīng)歷了從分立元件到數(shù)字可編程集成電路控制方式的發(fā)展歷 程。 2) 轉(zhuǎn)矩波動抑制研究 相對于正弦波型永磁同步電機，梯形波型無刷直流電機最大的問題是存在電磁轉(zhuǎn)矩脈動。再根據(jù)轉(zhuǎn)子初始 位置，電機參數(shù)，磁通之間的關(guān)系方程出發(fā)，計算出轉(zhuǎn)子位置信息。 （ 2）電感法：利用凸極永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，定子電感是轉(zhuǎn)子位置和相電流的函數(shù)，定子繞組電感會隨著電機轉(zhuǎn)子位置變化而變化的原理，提出了用繞組電感來檢測轉(zhuǎn)子位置的方法。② 從 電機設計和控制方法等方面出發(fā)，研究無刷直流電機轉(zhuǎn)矩波動抑制方法，從而提高其伺服精度，擴大其應用范圍。電子換向電路獲得這一位置信號后，按照設定的一定邏輯去驅(qū)動與電樞繞組相連接的相應的功率晶體管，以驅(qū)動相應的繞組。電機繞組一般工作于 120176。 （ 2）具有交流電機特性的無刷直流電機（ PMSM） 反電動勢波形和供電電流波形都是正弦波的電機，稱為正弦波同步電機，又稱永磁同步電機。 無刷直流電機（ BLDC）作為近年來迅速發(fā)展起來的一種新型電機，正是為解決有刷直流電機的種種缺點而出現(xiàn)的。接著針對控制器所肩負的控制任務， 提出了完整的控制器算法，并最后用 Simulink 仿真驗證了所提出的控制算法。如出現(xiàn)以上違反知識產(chǎn)權(quán)的情況，本人愿意承擔相應的責任。 而在對系統(tǒng)提出響應速度快、精度高、控制板體積小、可靠性高等要求下，采用基于單片機等芯片的控制系統(tǒng)一般難以實現(xiàn)這一要求，而基于 DSP 等芯片的控制系統(tǒng)一般成本又太高。 BLDC Simulink simulation。 而在對系統(tǒng)提出響應速度快、精度高、控制板體積小、可靠性高等要求下，采用基于單片機等芯片的控制系統(tǒng)一般難以實現(xiàn)這一要求，而基于 DSP 等芯片的控制系統(tǒng)一般成本又太高。 正弦波永磁同步電機相比于方波型無刷直流電機，結(jié)構(gòu)較復雜，使用成本較高。 但迄今為止，還沒有一個公認的統(tǒng)一標準對無刷直流電機進行準確的分類和定義，而一般人們所稱的無刷直流電機即指第一種，即具有直流電機特性的矩形波型永磁無刷直流電機（ BLDC）。 而他們的具體區(qū)別在于，有刷直流永磁電動機有很多獨立的繞組，也即是很多的換向器，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場的實時正交，而獲得較連續(xù)恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。4 常用的轉(zhuǎn)子位置間接檢測法如圖 12 所示 [3]9。續(xù)流二極管法的基本原理還是基于反電勢法，但它是從電流角度來考慮反電勢的。如表面粘貼式轉(zhuǎn)子無刷直流電機中，添加輔助短路轉(zhuǎn)子繞組，5 以獲取電機轉(zhuǎn)子位置信息，或在電機轉(zhuǎn)子表面貼裝非磁性材料，從而能通過檢測該材料渦流反應造成的斷開相電壓，來獲得轉(zhuǎn)子位置信息。因此，抑制換相轉(zhuǎn)矩波動是無刷直流電機研 究領(lǐng)域的一項重要內(nèi)容，許多學者在這方面進行了大量的研究工作。 目前，很多半導體廠商，都能提供自己開發(fā)的電機控制專用集成電路，如MicroLinear 公司的 ML4425/4428 無位置傳感器電機控制芯片。因此，新電子技術(shù)和新控制方法的出現(xiàn)都將進一步推動無刷直流電機的發(fā)展。同時還使得控制器可以與上層和遠程控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸通信，便于系統(tǒng)故障的監(jiān)視與診斷 [3]16。其包括如下幾部分： 三相橋逆變電路：采用 MOS 三相全橋驅(qū)動，擬采用二相導通星形三相六狀態(tài)驅(qū)動8 方式。 并用 Simulink 仿真工具，進行控制算法的仿真、檢驗，以完善控制手段。 下面以采用 H_PWM_L_ON 的方式生成 PWM 波，來驅(qū)動電機為例，說明電路的工作過程。 所以方案中，采用 全 N（ negative）溝道的 MOSFET 構(gòu)成逆變橋。 3） 選用的 IRFP2907 MOSFET 的基本參數(shù)： 1. 額定參數(shù)（ Absolute Maximum Ratings） 參數(shù)名稱 最大值 單位 C25T I c ??D 持續(xù)漏極電流， 10V V GS 209 A DMI 漏極峰值電流 840 A C25T P CD ?? 功耗 470 W GSV 柵源極擊穿電壓 20 ? V