【文章內(nèi)容簡介】 D S P 等 ）驅(qū) 動(dòng) 保 護(hù)電 路驅(qū) 動(dòng) 電 路（ 逆 變 器 ）無 刷 直流 電 機(jī)位 置 檢 測 電 路外 圍設(shè) 備 圖 13 典型的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng) DSP 等微處理器強(qiáng)大的計(jì)算能力使許多智能控制算法在無刷直流電機(jī)控制中得以實(shí) 現(xiàn)，近年來無刷直流電機(jī)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(diǎn) [8]。相信更高效完善的控制方案將不斷呈現(xiàn)。 無刷直流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢 無刷直流電機(jī)主要由電機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)電路和位置傳感器三部分組成，其控制涉及電機(jī)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)。因此，新電子 技術(shù)和 新控制方法的出現(xiàn)都將進(jìn)一步推動(dòng)無刷直流電機(jī)的發(fā)展。 1) 小型化與集成化 微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)的發(fā)展將使電機(jī) 朝著 控制電路和傳感器高度集成化的方向發(fā)展 。但 到目前為止，由于技術(shù)上的限制，電機(jī)與控制器一體化產(chǎn)品主要 還是應(yīng)用在磁盤驅(qū)動(dòng)器的主軸驅(qū)動(dòng)和儀器用風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)等特殊結(jié)構(gòu)的小功率無浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中。 而 對(duì)于一般的工業(yè)用無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，是否 將 控制器裝 入 電機(jī)內(nèi)部，還需要綜合考慮系統(tǒng)成 本 、電路工作可靠性及維修方便性 等因素 [3]15。 2）控制器全數(shù)字化 高速微處理器及高密度可編程邏輯器件的出現(xiàn)，為 電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展 提供了 堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 。例如，在一些對(duì)控制成本和空間要求嚴(yán)格的應(yīng)用中，增加位置傳感器不太實(shí)用或無法接受，而 DSP 等芯片固有的高速計(jì)算能力正可被用來實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制。一些相對(duì)復(fù)雜的控制算法 使得能夠 用 DSP、CPLD 或者 FPGA 等芯片來實(shí)現(xiàn)?？刂破鞯娜珨?shù)字化將使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更加簡化。同時(shí) 還使得控制器可以與 上層和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)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。 3） 綠色 PWM 控制及其高效化 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用功率晶體管驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)頻率一般在2~5kHz， 該頻率范圍內(nèi)引起的噪聲在人耳聲頻范圍之內(nèi)，不利于人的身體 健康 。采用 MOSFET 和 IGBT 之后，開關(guān)頻率可達(dá)幾十千赫茲以上。這樣 ， 不論是電磁噪聲還是電流波形都能得到改善。因此，利用軟開關(guān)等新技術(shù) ，來 降低開關(guān)損耗、增加開 關(guān)壽命，并 在 保證系統(tǒng)效率不變或提高的 前提 下，提高驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的綠色化 PWM 控制 [3]17。 本文的研究內(nèi)容 本論文針對(duì)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用的有位置傳感器的無刷直流電機(jī)，提出了一種采用CPLD 為控制核心的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。主要進(jìn)行的工作包括以下幾個(gè)部分： 1）查找文獻(xiàn)，了解無刷直流電機(jī)的控制特性： 論述分析無刷直流電機(jī)的系統(tǒng)組成和工作原理，用以實(shí)現(xiàn)其驅(qū)動(dòng)方案。 2）控制器硬件電路設(shè)計(jì)： 設(shè)計(jì)分析一種以 CPLD 為控制核心的有位置傳感器無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案。 其包括如下幾部分： 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 三相橋逆變電路：采用 MOS 三相全橋驅(qū)動(dòng)，擬采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)驅(qū)動(dòng)方式。 逆變電路的驅(qū)動(dòng)電路：弱電控制強(qiáng)電，接收 CPLD 主控芯片對(duì)于各功率管的控制信號(hào)，生成相應(yīng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的三相橋的功率管。 逆變電路的保護(hù)電路：采樣檢測流過功率管的電流，防止由于某種原因而使功率管過流燒毀。 CPLD：系統(tǒng)的主控芯片及其基本外設(shè) 。 電源管理：把總電源變換成各模塊需要的額定工作電壓，分配給各個(gè)模塊。 人機(jī)接口：顯示系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，接收用戶的控制指令，生成相應(yīng)的信號(hào)傳遞給主控芯片。 電機(jī)的 3 路霍爾輸出：擬直接接入 CPLD 主控芯片 。 3）控制算法設(shè)計(jì) : 根據(jù)已有的成熟算法，結(jié)合自身的應(yīng)用場合和功能要求，選擇一種合適的控制算法。 并用 Simulink 仿真工具，進(jìn)行控制算法的仿真 、 檢驗(yàn) ，以 完善控制手段。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 2 章 控制器硬件電路設(shè)計(jì) 電路的總體結(jié)構(gòu) 控制器硬件電路的模塊劃分如下圖 21： 三相橋逆變電路：采用 MOS 三相全橋驅(qū)動(dòng)，采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)驅(qū)動(dòng)方式。 逆變電路的驅(qū)動(dòng)電路：弱電控制強(qiáng)電，接收 CPLD 主控芯片對(duì)于各功率管的控制信號(hào)，生成相應(yīng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的三相橋的功率管。 逆變電路的 保護(hù)電路：采樣檢測流過 MOS 功率管的電流，防止由于某種原因而使功率管過流燒毀。 CPLD：系統(tǒng)的主控芯片及其基本外設(shè) 電源管理：把總電源變換成各模塊需要的額定工作電壓，分配給各個(gè)模塊；并包含對(duì)電源的過壓和欠壓檢測電路。 人機(jī)接口：通過 LED 指示燈，顯示系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)；接收用戶的控制指令，生成相應(yīng)的信號(hào)傳遞給主控芯片。 電機(jī)的 3 路霍爾輸出：直接接入 CPLD 主控芯片 C P L D逆 變 電 路 的驅(qū) 動(dòng) 電 路三 相 橋 逆變 電 路逆 變 電 路 的保 護(hù) 電 路電 機(jī) 的 3 路 霍 爾 輸 出電 源 管 理人 機(jī) 接 口B L D C 圖 21 基于 CPLD 的 BLDC 控制器結(jié)構(gòu)框圖 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 各模塊解析 三相橋逆變電路 逆變電路采用三相六臂全橋結(jié)構(gòu)，其簡化的原理圖如下圖 22 所示。 213Q1PWM1213Q2PWM2213Q3PWM3213Q4PWM4213Q5PWM5213Q6PWM6VCCAB C 圖 22 三相橋逆變電路原理圖 其三個(gè)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(hào)，實(shí)現(xiàn)每相的 PWM 電壓輸出，實(shí)現(xiàn) 對(duì)電機(jī)的 調(diào)壓 驅(qū)動(dòng) 。 下面以采用 H_PWM_L_ON 的方式生成 PWM 波，來驅(qū)動(dòng)電機(jī)為例，說明電路的工作過程。這種驅(qū)動(dòng)方式，具體的說是， 對(duì)于 電機(jī)的三相連接線 A、 B、 C端口，其中 懸空相 端口 ：與其相連 的兩個(gè) MOS 管全部高阻；其中需要高電平的相端口 ： 與其 相連的上端的 MOS 管柵極接收 PWM 控制信號(hào)，間歇性的導(dǎo)通關(guān)斷，而另一個(gè) 下端 MOS 管完全高阻，即是使這相受到電源的 PWM 驅(qū)動(dòng)；而剩下的需要低電平的端口 ： 與其相連的上端 MOS 管高阻，下端 MOS 管完全導(dǎo)通接地。 比如，在 AB 相導(dǎo)通時(shí)，給 Q1 柵極的是 PWM 信號(hào)，給 Q4 的是完全導(dǎo)通信號(hào)（柵極高電平），而其余 MOS 管全部高阻（柵極低電平）。這樣既可通過調(diào)節(jié)PWM 信號(hào)的占空比，調(diào)節(jié) AB 相的驅(qū)動(dòng)電壓。但在這存在一個(gè)問題，由于電機(jī)繞組電感的存在，相電流不能突變，這就導(dǎo)致在上端的 MOS 管 PWM 周期關(guān)短時(shí)刻，在 A 端將產(chǎn)生很大的 逆 感應(yīng)電動(dòng)勢。 故 MOS 中已經(jīng)集成 的 這個(gè) 穩(wěn)壓二極管發(fā)揮著延續(xù)相電流流動(dòng) ，防止擊穿 MOS 管 的作用。 對(duì) 電路 實(shí)際應(yīng)用時(shí)的幾個(gè)問題的分析： 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 1） MOS管的選型 P（ positive）溝道 MOSFET 的載流子是空穴，與電子相比，它的 “活動(dòng)性 ”差，且有 “少數(shù)載流子生存時(shí)間 ”短的缺陷，這些都是影響半導(dǎo)體器件性能的重要參數(shù)。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]。 所以方案中，采用全 N（ negative）溝道的 MOSFET 構(gòu)成逆變橋。 實(shí)際選用的型號(hào)為 IRFP2907。 2） MOS 管的驅(qū)動(dòng) 在選擇全 N 溝道 MOSFET 后，由其工作特性可知，當(dāng)給柵源極間加一個(gè)正向電壓，并且其值超過數(shù)據(jù)手冊(cè)上的閾值電壓 GSV （以 IRFP2907 為例， 100A 的導(dǎo)通飽和電流對(duì)應(yīng) VVGS 5? ）時(shí) , 場效應(yīng)管的 D極和 S極就會(huì)導(dǎo)通 (IV特性曲線 )，且一般 N 型功率型場效應(yīng)管的閾值電壓都會(huì)在 3~20V 之間。 依舊以 AB 相導(dǎo)通為例，此時(shí) Q1 和 Q4 管導(dǎo)通，一般場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻 onR都在毫歐級(jí)，所以 B 點(diǎn)的電位近似為 0V， A 點(diǎn)的電位就近似為 VCC。這就使得要驅(qū)動(dòng)這兩個(gè) MOS 管， Q1 管的柵極電壓要大于（ GSVVCC? ）， Q4 管的柵極電壓要大于 GSV 。這使得采用 CPLD 端口直驅(qū)（或加三極管信號(hào)放大直驅(qū)）的方式將不可行。 故方案中采用了三片 MOS 管的專用驅(qū)動(dòng)芯片（ IR2181），來驅(qū)動(dòng)各自的 MOS管橋臂。詳見逆變電路 MOS 管的驅(qū)動(dòng)電路。 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 方案實(shí)際采用的逆變電路原理圖如 下 圖 23 所示。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 213Q1IRFP290710KR310KR720KR51D5IN4744D1HER104D3HER104213Q2IRFP290710KR410KR820KR6D6IN47441D2HER104D4HER104213Q3IRFP290710KR910KR1320KR11D11IN4744D7HER104D9HER104213Q4IRFP290710KR1010KR1420KR12D12IN4744D8HER104D10HER104213Q5IRFP290710KR1510KR1920KR17D17IN4744D13HER104D15HER104213Q6IRFP290710KR1610KR2020KR18D18IN4744D14HER104D16HER104VS1VS2VS3FAULT_1FAULT_2FAULT_3FAULT_4FAULT_5FAULT_6HO1LO1HO2 HO3LO2LO3VCC 圖 23 方案實(shí)際采用的逆變電路 213Q2IRFP290710KR410KR820KR6D6IN47441D2HER104D4HER104FAULT_2LO1 213Q2IRFP290710KR410KR820KR6D6IN47441D2HER104D4HER104FAULT_2LO1 圖 24 構(gòu)成逆變橋的基本 MOS 模塊 圖 25 MOS 管外圍驅(qū)動(dòng)電路 從圖中不難發(fā)現(xiàn)，逆變電路由如圖 24 所示的完全相同的 MOS 模塊構(gòu)成。由于電勢的相對(duì)性，故對(duì)于每個(gè)模塊來說，他們的工作原理也是完全一致的。故下面只對(duì)其中一個(gè)做分析 此 驅(qū)動(dòng)電路中， MOSFET工作在開關(guān)管狀態(tài) DSTGS VVV ?? )( ,可以用 SR開關(guān)模型對(duì)其建模，結(jié)合柵極電容，可描述為 SRC模型 [10]，如下圖 26所示 ： DSGCGSTGS VV ?DSGCGSTGS VV ?關(guān)斷狀態(tài) 導(dǎo)通狀態(tài)onR 圖 26 MOSFET的開關(guān) 電阻 電容（ SRC）模型 其中，查表可知， ?? ， 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 模型 也 可用代數(shù)方式描述為：???????? VV 0 VV TGSTGSONDSDS RVi （ 1） 如圖 25 所示，模塊中用虛線包圍的這部分電路，是驅(qū)動(dòng) MOS 管的輔助電路。此模塊用 MOS 管的 SRC 模型可等價(jià)描述為如圖 27 所示的電路。 10KR820KR6D6IN4744LO1CGS 圖 27 MOS 管外圍驅(qū)動(dòng)電路的等效電路 其中各元器件的作用如下： R6 的 4 個(gè)作用： 1）防止震蕩： 上級(jí)的 I/O輸出口及連接導(dǎo)線都 會(huì)帶點(diǎn) 分布 電感，這使得在電壓突變的情況下可能和柵極電容 isC 形成 LC 振蕩，當(dāng)它們之間串上 R6后，可增大阻尼而減小振蕩效果。 2）減小柵極充電峰值電流： 當(dāng)柵極電壓拉高時(shí)，首先會(huì)對(duì)柵極電容充電，充電峰值電流可大致計(jì)算為： Ansns nCtt QI rd(on) g 9 023 4 1 0 ????? （