【文章內(nèi)容簡介】 率管 PWM0 連接到電源正極電機(jī)的 V相端通過功率管 PWM3 連接到電源地。 圖 13 三相橋驅(qū)動電路 基于 Freescale MKV10Z32 單片機(jī)的三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動器 5 無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測 通過前文可知，依次換相可以實現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，且相序和電子轉(zhuǎn)子的位置 有關(guān)，正確的換相可以使電機(jī)更加平穩(wěn)高效的轉(zhuǎn)動，所以換相的重點就在轉(zhuǎn)子位置的檢測。在無刷直流電機(jī)控制過程中常見的轉(zhuǎn)子位置檢測分為“有傳感器檢測”和“無傳感器檢測”兩種，即所說的“有感驅(qū)動”和“無感驅(qū)動”。 本次畢業(yè)設(shè)計采用的是“有傳感器檢測”，即把 3 個開關(guān)型霍爾傳感器呈 120 度分布在電機(jī)底端?；魻杺鞲衅魇歉鶕?jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場 傳感器 。電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中三個霍爾傳感器的電平變化如圖 14 所示。 圖 14 霍爾傳感器信號 該方法最重要的就是得出三個霍爾傳感器的輸出值和電機(jī)通電相序的對應(yīng)關(guān)系表。這里可以采用固定通電相序，實時讀取霍爾傳感器的方法確定，霍爾輸出值和電機(jī)通電相序的對應(yīng)關(guān)系。該方法分為三步：首先，按照某一相序給電機(jī)其中兩相通較小的電壓，并保持通電，這時電機(jī)會轉(zhuǎn)動到該相序?qū)?yīng)的轉(zhuǎn)子位置，霍爾傳感器將會輸出與轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的值，如此按照下一相序給電機(jī)通電并保持，再記錄霍爾輸出值，就可以記錄所有相序下霍爾的輸出值；然后，改為手動轉(zhuǎn)動電機(jī)，依次記錄霍爾傳感器的輸出值；最后，將第一 步中得到的相序和霍爾輸出值與第二步中得到的霍爾傳感器的順序輸出值對應(yīng)到一起。 該方法最終得出的轉(zhuǎn)子位置、通電相序和霍爾傳感器的關(guān)系如表 11 所示。 基于 Freescale MKV10Z32 單片機(jī)的三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動器 6 表 11 霍爾傳感器輸出編碼表 當(dāng)前相 輸出碼（ WVU） 當(dāng)前相序 T1 001 2 T2 011 3 T3 010 4 T4 110 5 T5 100 6 T6 101 7 無刷直流電機(jī)的速度控制 電機(jī)的速度控制最基本的可以分為正反轉(zhuǎn)控制和轉(zhuǎn)速控制。而無刷直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制則是由換相順序決定， 改變換相次序，即可改變電機(jī)正反轉(zhuǎn)。 速度控制采用脈沖寬度調(diào)制。即通過改變電機(jī)三相端的有效電壓從而改變電機(jī)線圈的電流大小，由左手定則可知，轉(zhuǎn)子所受力矩和電流大小有關(guān)。“脈沖寬度調(diào)制”英譯為“ Pulse Width Modulation”，下文簡稱為 PWM 控制。 PWM 控制又分為“開環(huán)控制”和“閉環(huán)控制”。開環(huán)控制就是直接在電機(jī)的三相端直接加載固定占空比的脈沖。但是開環(huán)控制缺點就是受外界因素干擾大，所以本次設(shè)計采用了 PID 算法進(jìn)行閉環(huán)控制，具體原理會在下文介紹。采用 PID 速度閉環(huán)控制實時性好，抗干擾能力強(qiáng)， 尤其是在負(fù)載變化時依然可以保持一個恒定的轉(zhuǎn)速。 基于 Freescale MKV10Z32 單片機(jī)的三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動器 7 2 無刷直流電機(jī)驅(qū)動器的硬件設(shè)計 圖 21 是驅(qū)動器的整體框圖，驅(qū)動器應(yīng)該具備以下功能： ? 功率開關(guān)管三相橋電路，通過正確換相，驅(qū)動電機(jī)運轉(zhuǎn)； ? 功率開關(guān)管驅(qū)動電路，提供足夠的柵極開啟電壓，使功率開關(guān)管開啟、關(guān)斷； ? MCU及其外圍電路，控制功率開關(guān)管驅(qū)動電路，驅(qū)動三相電橋正確換相； ? 有傳感器轉(zhuǎn)子檢測電路，通過霍爾傳感器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置； ? 電源輸入電路，為輸入電源濾波穩(wěn)壓，防止電路過流、過壓，防反接； ? 電源轉(zhuǎn)換電路，提供 MCU、驅(qū)動電路、檢測電路的 電源。 M CUU A R TPW MGPI O電 源功率管驅(qū)動三相橋驅(qū)動電 源功率管驅(qū)動三相橋驅(qū)動 圖 21 整體框圖 電源電路 本次畢業(yè)設(shè)計采用的是直流 24V輸入電源供電，由于各個模塊電路所需電壓不同，比如 MCU 需要 ，而功率管驅(qū)動電路需要 15V供電。所以需要進(jìn)行 DCDC 轉(zhuǎn)換。 電源輸入電路 電源輸入電路部分有防浪涌電壓，群脈沖和改善 EMC 作用。主要有壓敏電阻，瞬態(tài)電壓抑制二極管，共模電感，以及保險管組成，電路如圖 22 所示。 基于 Freescale MKV10Z32 單片機(jī)的三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動器 8 圖 22 電源輸入電路 電源輸入電路中元件的作用及選擇如下： 壓敏電阻：在供電網(wǎng)絡(luò)中，電網(wǎng)波動、大功率設(shè)備起?；蚴抢讚舳加锌赡茉斐伤矔r浪涌 過壓。壓敏電阻通過過壓瞬間的電阻急劇降低，將電壓迅速拉低，來防止這種過電壓對后級電路的影響。因為這里的供電電源是 24V，電路中使用的壓敏電阻的壓敏電壓為 30V。當(dāng)過電壓超過 30V時，壓敏電阻起電壓抑制作用。 瞬態(tài)電壓抑制二極管：和壓敏電阻類似主要是防止浪涌過壓，但是瞬態(tài)電壓抑制二極管由于開關(guān)速度更高，能抑制瞬時脈沖過壓。這里瞬態(tài)電壓抑制二極管的反向?qū)妷阂彩?30V。 保險管：防止驅(qū)動板短路過流，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時，電流異常增大時，保險管將燒斷，達(dá)到保護(hù)電路板不受過流損壞。由于電機(jī)的額定電流大約為 ，這里保險管的過流保護(hù)電流為 5A，留有一定的瞬時過流余量。 二極管：防反接，當(dāng)電源意外接反時，由于二極管的單向?qū)ㄐ?，電源將不能?dǎo)通，從而避免了后級電路的意外損壞。 電源穩(wěn)壓模塊 在電壓轉(zhuǎn)換中，采用了 2 片 LM2596 穩(wěn)壓芯片，將 24V的電源輸入分別穩(wěn)壓至 15V和 5V。 15V用來給功率管驅(qū)動電路供電， 5V給霍爾傳感器供電和 MCU 供電。具體電路如圖 23 所示。 基于 Freescale MKV10Z32 單片機(jī)的三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動器 9 圖 23 電源穩(wěn)壓電路 LM2596 系列是德州儀器（ TI）生產(chǎn)的 3A電流 輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓 芯片 ，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（ 150KHZ）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（ ），并具有完善的 保護(hù)電路 、電流限制、熱關(guān)斷電路等。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電 路。 三相橋驅(qū)動模塊 圖 24 三相橋驅(qū)動電路 功率開關(guān)管選擇 選擇功率管時，首先要考慮無刷直流電機(jī)的功率參數(shù)。本設(shè)計中所要驅(qū)動的無刷直流電機(jī)額定電壓為 24V，功率 50W，即在額定電壓下，電源所提供的電流約為 2A。這里基于 Freescale MKV10Z32 單片機(jī)的三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動器 10 選擇的功率管型號為 IRLR024N場效應(yīng)管，其參數(shù)為：最大耐壓值 VDS = 55V，導(dǎo)通阻抗 RDS(on) = ，最大電流 ID = 17A，完全能夠滿足設(shè)計需求。這里需要注意，為了減少功率管發(fā)熱，減小功率管功耗，應(yīng)盡量選擇導(dǎo)通阻抗較小的功率管；漏源極最大耐壓值和漏極最大導(dǎo)通電流均需要能夠滿足電機(jī)的驅(qū)動要求。 功率管的另外一個重要參數(shù)是柵源極電壓，即場效應(yīng)管的開啟電壓。查閱數(shù)據(jù)手冊可得，此種場效應(yīng)管的開啟電壓為 216V。開啟電壓越高時，漏極可導(dǎo)通電流越大。由于功率管的開通和關(guān)斷是由 ，開 啟電壓 ，漏源極可導(dǎo)通電流不足以驅(qū)動電機(jī)正常運行。所以這里對場效應(yīng)管的驅(qū)動應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路，為其提供較大的開啟電壓，保證為電機(jī)供應(yīng)較大的電流。對于功率開關(guān)管的驅(qū)動電路，將在后續(xù)章節(jié)介紹。 對于三相橋電路，還有一點需要注意，三相橋中的同相上下半橋在任意時刻都不能同時導(dǎo)通。如果同時導(dǎo)通，由于場效應(yīng)管的通流能力較大，上下半橋類似于短路，較大電流通過可能燒毀場效應(yīng)管。這就需要在驅(qū)動電路或是程序編寫時，注意防止上下半橋的同時導(dǎo)通。 三相電橋外圍電路 如圖 24 中， D5 為 30V的瞬態(tài)電壓抑制二極管，用于吸收電機(jī)的三相線圈電感在電機(jī)頻繁換相時，產(chǎn)生的開關(guān)脈沖，防止對電源和其他敏感低壓數(shù)字電路的干擾，甚至嚴(yán)重時對其他電路模塊的損壞。電容 C25 用來濾除高頻干擾。 電阻 R36 為電流采樣電阻，把電流轉(zhuǎn)換成電壓輸送給電流信號處理電路處理，最后反饋到單片機(jī)進(jìn)行計算、控制。 功率管驅(qū)動模塊 三相橋中的六只功率管需要在單片機(jī)的控制下，進(jìn)行正確的換相，來驅(qū)動無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動。但是 MKV10Z32 單片機(jī)輸出電壓為 ，而功率管的柵源極電壓必須到達(dá)一定值才能提供較大的電流，讓電機(jī)正常運行。為了使功率 管能完全導(dǎo)通，必須保證VGS12V。為了保證這個電壓條件，需要為功率管提供驅(qū)動電路。本設(shè)計中使用高壓柵驅(qū)動芯片 IR2101，利用泵電容充放電原理實現(xiàn)三相橋電路中某一相上下半橋功率管的各基于 Freescale MKV10Z32 單片機(jī)的三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動器 11 自開關(guān)。其驅(qū)動電路如圖 25 所示，圖中只列出了對三相橋 V相的驅(qū)動電路，其他兩相與此類似。 圖 25 IR2101 驅(qū)動電路 一、 高壓柵極驅(qū)動芯片選擇 IR2101高壓柵極驅(qū)動芯片。它有以下三個主要的特性： 具有防止上下橋臂同時導(dǎo)通的功能，當(dāng)上下橋都輸入有效時，能自 動關(guān)斷上下橋臂。我們從上一小節(jié)知道三相電橋的同相上下半橋是不能同時導(dǎo)通的，否則較長時間的同時導(dǎo)通將造成功率開關(guān)管導(dǎo)通極大電流，這將燒毀功率管。此芯片能在上下橋同時切換導(dǎo)通時，自動添加 100ns死區(qū)時間。當(dāng)控制端控制上下半橋同時導(dǎo)通時，兩個功率管控制輸出端都將保持低電平。 該芯片可提供 1020V的驅(qū)動電壓。本設(shè)計中三相橋選用的功率開關(guān)管驅(qū)動電壓在12V左右時，可通過的電流就完全能夠滿足電機(jī)的驅(qū)動電流要求。所以該芯片能滿足驅(qū)動功率管的要求。 該芯片控制端能兼容 5V邏輯電平。各種類型的單片機(jī)均可用 來控制