一種基于小功率高溫?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

　　摘要：設(shè)計(jì)了一種能夠在高溫環(huán)境下工作的小功率無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器邏輯部分采用高性能的單片機(jī)，開關(guān)主電路中采用特殊結(jié)構(gòu)，省去了功率器件的驅(qū)動(dòng)芯片，整個(gè)驅(qū)動(dòng)器只需一個(gè)外部電源。驅(qū)動(dòng)器具有開環(huán)調(diào)速和恒功率運(yùn)行等控制功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該驅(qū)動(dòng)器可在150℃高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

　　0  引  言

　　高溫電機(jī)在石油測(cè)井、航天及國(guó)防等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，目前一般采用感應(yīng)電機(jī)但感應(yīng)電機(jī)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(fù)雜。無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子無電流、效率高、功率密度大、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、控制方便，因而是替代高溫感應(yīng)電機(jī)的理想產(chǎn)品。驅(qū)動(dòng)電路是無刷直流電機(jī)系統(tǒng)適應(yīng)高溫環(huán)境的關(guān)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(duì)這些要求設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器采用了高等級(jí)的軍工級(jí)器件，可驅(qū)動(dòng)額定電壓為12 V、額定電流小于2 A的無刷直流電機(jī)，具有開環(huán)速度調(diào)節(jié)和恒功率運(yùn)行等控制功能。驅(qū)動(dòng)器的邏輯部分采用高性能的單片機(jī)；開關(guān)主電路中采用了特殊結(jié)構(gòu)，從而省去了功率器件的隔離或懸浮自舉驅(qū)動(dòng)芯片，大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)；邏輯電路部分的電源由功率電源穩(wěn)壓得到，從而使整個(gè)驅(qū)動(dòng)器只需一個(gè)外部電源。對(duì)驅(qū)動(dòng)器在150℃的高溫環(huán)境下進(jìn)行的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明了其運(yùn)行的可靠性。

　　1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器硬件主要包括單片機(jī)電路、開關(guān)主電路、限流保護(hù)電路等原理圖如圖1所示。

　　l_1單片機(jī)部分

　　驅(qū)動(dòng)器的邏輯部分采用具有A／D轉(zhuǎn)換、PwM信號(hào)輸出功能的耐高溫單片機(jī)芯片。該部分主要完成電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的采集、電動(dòng)機(jī)換相邏輯信號(hào)的生成、PwM信號(hào)的生成、電機(jī)正／反轉(zhuǎn)控制和起動(dòng)／停止控制等功能。

　　(1)換相邏輯信號(hào)產(chǎn)生單片機(jī)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)給出換相邏輯信號(hào)。圖1中單片機(jī)的P1．O、P1．1、P1．2引腳連接電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器，采集轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。P2．O、P2．1、P2．2、P2．3、P2．4、P2．5引腳為換相邏輯控制信號(hào)的輸出端。單片機(jī)通過編程把電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的換相邏輯。電機(jī)運(yùn)行時(shí)根據(jù)采集到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)HAl、HA2、HA3通過向P2口送對(duì)應(yīng)控制字的方式把6路換相邏輯信號(hào)送到    P2．0、P2．1、P2．2、P2．3、P2．4、P2．5引腳。

　　(2)PwM信號(hào)生成驅(qū)動(dòng)器的速度調(diào)節(jié)采用脈寬調(diào)制方法，即通過改變PWM信號(hào)的占空比來控制電機(jī)電樞電壓，從而實(shí)現(xiàn)開環(huán)調(diào)速。該驅(qū)動(dòng)器采用給單片機(jī)輸入一個(gè)可調(diào)的模擬電壓的方式來調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比。

　　單片機(jī)的P2．7引腳為PWM信號(hào)輸出端。

　　PwM信號(hào)的頻率由單片機(jī)內(nèi)的寄存器PWMl值確定。PWM信號(hào)的占空比由寄存器PwM0的值確定。在單片機(jī)的一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換輸入端P1．7引腳輸入模擬電壓信號(hào)SPCIN。該模擬電壓經(jīng)單片機(jī)采樣轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量，再送到寄存器PwM0來改變PWM信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。

　　為了提高A／D轉(zhuǎn)換的精度，本文采用了圖2所示的PWM信號(hào)占空比給定電路。占空比給定信號(hào)不是直接接到單片機(jī)的P1．7引腳，而是中間經(jīng)過一個(gè)運(yùn)放電壓跟隨環(huán)節(jié)和一個(gè)Rc濾波環(huán)節(jié)。這樣的輸人電路可以為單片機(jī)內(nèi)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(duì)所輸入模擬信號(hào)的影響，同時(shí)圖中的Rc網(wǎng)絡(luò)還可以濾除輸入信號(hào)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(hào)大于單片機(jī)的工作電壓而使單片機(jī)芯片損壞。

　　(3)起動(dòng)／停止控制驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)的起動(dòng)／停止是通過在P3．3引腳上輸入信號(hào)RucN實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)RucN為高電平時(shí)電機(jī)起動(dòng)，為低電平時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　(4)正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)控制驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)是通過在P3．2引腳上輸入信號(hào)DIC：N實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)DI(：N為高電平時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，為低電平時(shí)反轉(zhuǎn)。

　　1．2開關(guān)主電路

　　驅(qū)動(dòng)器采用了圖3所示的開關(guān)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。

　　下橋臂的N溝道MOSFET可直接由邏輯電路驅(qū)動(dòng)。上橋臂的P溝道MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路由三極管和電阻構(gòu)成，通過電阻分壓構(gòu)造管子的驅(qū)動(dòng)電壓。

　　以A橋臂為例，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)Q1為高電平時(shí)，三極管D1飽和導(dǎo)通，此時(shí)Tl管的柵極對(duì)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(duì)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(dǎo)通。

　　這種開關(guān)主電路和驅(qū)動(dòng)方式省去隔離或自舉驅(qū)動(dòng)芯片，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)器電路，適合于高溫環(huán)境下小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

　　圖中Rtest為電流檢測(cè)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(hào)。這種電流采樣方式省去了專用電流傳感器，簡(jiǎn)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(jī)母線電流的平均值限制在一個(gè)固定值，則電機(jī)系統(tǒng)的輸入輸入功率恒定，此時(shí)如果電機(jī)損耗基本不變，則電機(jī)的輸出功率也近似恒定，實(shí)現(xiàn)了近似恒功率運(yùn)行。

　　恒功率運(yùn)行可以保護(hù)電機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)電路以及該電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的設(shè)備。本文設(shè)計(jì)的限流控制電路由運(yùn)算放大器及其外圍電路組成，如圖4所示。

　　定值時(shí)比較器輸出低電平，當(dāng)母線電流低于設(shè)定值時(shí)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(shí)現(xiàn)恒功率控制。

　　l_4驅(qū)動(dòng)器電源

　　驅(qū)動(dòng)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(yùn)放選用了單電源供電器件，省去了負(fù)電源，這樣整個(gè)驅(qū)動(dòng)器只需一個(gè)外部電源+12 V電源，大大簡(jiǎn)化了為驅(qū)動(dòng)器供電的電源，有利于高溫環(huán)境運(yùn)行。

　　本文選用的單片機(jī)分別設(shè)置了獨(dú)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(hào)噪聲干擾。本文采用了圖5所示的單片機(jī)供電電路。AVDD和DVDD之間用一個(gè)磁珠串連一個(gè)1 n電阻隔開防止干擾，同時(shí)再并聯(lián)兩個(gè)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(shè)計(jì)

　　單片機(jī)系統(tǒng)軟件主要由主程序、換相控制子程序、A／D轉(zhuǎn)換子程序和PwM信號(hào)設(shè)定子程序組成。主程序流程如圖6所示。

　　(1)換相控制子程序所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)三相星形聯(lián)接無刷直流電機(jī)，采用二二導(dǎo)通方式，6種導(dǎo)通狀態(tài)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)60。變換一種狀態(tài)。單片機(jī)通過向P2口送控制的方式實(shí)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(zhuǎn)和反轉(zhuǎn))。電機(jī)起動(dòng)后單片機(jī)根據(jù)從P1．0、P1．1、P1．2引腳采集到電機(jī)位置信號(hào)HAl、HA2、ItA3，向P2口送相應(yīng)的控制字進(jìn)行換相控制。

　　(2)A／D轉(zhuǎn)換子程序A／D轉(zhuǎn)換子程序把P1．7引腳輸人的用于占空比給定的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換成一個(gè)12位數(shù)字量，再送入到寄存器PWM0。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)調(diào)速功能，本文首先通過AD控制特殊寄存器設(shè)置AD為連續(xù)轉(zhuǎn)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(hào)變化的數(shù)字量。

　　(3)PwM信號(hào)設(shè)定子程序。

　　該子程序主要功能一是設(shè)定PWM信號(hào)的頻率，二是根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果及時(shí)更新占空比設(shè)定寄存器PwM0的值，從而改變PWM信號(hào)的占空比，使驅(qū)動(dòng)器具有連續(xù)調(diào)速功能。PWM定時(shí)器工作頻率為12 MHz，PwM信號(hào)頻率為4 kHz。此時(shí)寄存器PWMl的設(shè)定值為12 MHZ，4 kHz=101110111000B。

　　3實(shí)驗(yàn)

　　本文對(duì)研制的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了高溫環(huán)境運(yùn)行的實(shí)    驗(yàn)和限流恒功率運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

　　(1)高溫運(yùn)行試驗(yàn)把驅(qū)動(dòng)器放入恒溫箱，調(diào)節(jié)恒溫箱溫度達(dá)到150℃并保持恒溫，然后起動(dòng)電機(jī)，電機(jī)負(fù)載加到額定值，通過改變PwM占空比進(jìn)行在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)速試驗(yàn)，在連續(xù)運(yùn)行3小時(shí)過程中，電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器運(yùn)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(shí)相電流的實(shí)測(cè)波形。重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)10次，電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器累計(jì)運(yùn)行30小時(shí)，驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行正常，器件完好。

　　(2)限流試驗(yàn)逐漸增大電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，直到電機(jī)電流達(dá)到限流電路的設(shè)定值，限流電路起作用。圖8實(shí)測(cè)的限流時(shí)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(hào)波形?？梢钥闯?，母線電流被限制在一個(gè)恒定值以下，實(shí)現(xiàn)了恒功率運(yùn)行。

　　4結(jié)語

　　(1)本文所設(shè)計(jì)的小功率高溫?zé)o刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，采用了特殊的開關(guān)主電路結(jié)構(gòu)，省去了功率器件的驅(qū)動(dòng)芯片；整個(gè)電路只需一個(gè)外部電源，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合高溫運(yùn)行。

　　(2)驅(qū)動(dòng)器能夠具有開環(huán)調(diào)速控制功能，同時(shí)還具有限流功能，能夠?qū)崿F(xiàn)恒功率控制，起到保護(hù)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的作用。

　　(3)高溫實(shí)驗(yàn)證明了驅(qū)動(dòng)器可以在150℃的高溫環(huán)境下可靠運(yùn)行。