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高溫電機在石油測井、航天及國防等領(lǐng)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(wú)刷直流電機轉子為永磁結構，轉子無(wú)電流、效率高、功率密度大、驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單、控制方便，因而是替代高溫感應電機的理想產(chǎn)品。驅動(dòng)電路是無(wú)刷直流電機系統適應高溫環(huán)境的關(guān)鍵，必須滿(mǎn)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(kāi)發(fā)了一種能夠在高溫環(huán)境下工作的小功率無(wú)刷直流電動(dòng)機的驅動(dòng)器。該驅動(dòng)器采用了高等級的軍工級器件，可驅動(dòng)額定電壓為12 V、額定電流小于2 A的無(wú)刷直流電機，具有開(kāi)環(huán)速度調節和恒功率運行等控制功能。驅動(dòng)器的邏輯部分采用高性能的單片機；開(kāi)關(guān)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(dòng)芯片，大大簡(jiǎn)化了驅動(dòng)電路的結構；邏輯電路部分的電源由功率電源穩壓得到，從而使整個(gè)驅動(dòng)器只需一個(gè)外部電源。對驅動(dòng)器在150℃的高溫環(huán)境下進(jìn)行的運行實(shí)驗證明了其運行的可靠性。 1 系統硬件電路 設計驅動(dòng)器硬件主要包括單片機電路、開(kāi)關(guān)主電路、限流保護電路等原理圖如圖1所示。 1.1 單片機部分 驅動(dòng)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(dòng)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(dòng)／停止控制等功能。 (1)換相邏輯信號產(chǎn)生單片機根據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(guò)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(shí)根據采集到的電機轉子位置信號HAl、HA2、HA3通過(guò)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(dòng)器的速度調節采用脈寬調制方法，即通過(guò)改變PWM信號的占空比來(lái)控制電機電樞電壓，從而實(shí)現開(kāi)環(huán)調速。該驅動(dòng)器采用給單片機輸入一個(gè)可調的模擬電壓的方式來(lái)調節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(gè)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(jīng)單片機采樣轉換成的數字量，再送到寄存器PwM0來(lái)改變PWM信號的占空比，實(shí)現速度調節。 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(jīng)過(guò)一個(gè)運放電壓跟隨環(huán)節和一個(gè)Rc濾波環(huán)節。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(shí)圖中的Rc網(wǎng)絡(luò )還可以濾除輸入信號中的高頻干擾。圖中Dl、D2為5 V穩壓管，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。 (3)起動(dòng)／停止控制驅動(dòng)器控制電機的起動(dòng)／停止是通過(guò)在P3．3引腳上輸入信號RucN實(shí)現的。當RucN為高電平時(shí)電機起動(dòng)，為低電平時(shí)停止轉動(dòng)。 (4)正轉／反轉控制驅動(dòng)器控制電機的正、反轉是通過(guò)在P3．2引腳上輸入信號DIC：N實(shí)現的。當DI(：N為高電平時(shí)電機正轉，為低電平時(shí)反轉。 1．2 開(kāi)關(guān)主電路 驅動(dòng)器采用了圖3所示的開(kāi)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動(dòng)。上橋臂的P溝道MOSFET的驅動(dòng)電路由三極管和電阻構成，通過(guò)電阻分壓構造管子的驅動(dòng)電壓。 以A橋臂為例，當驅動(dòng)信號Q1為高電平時(shí)，三極管D1飽和導通，此時(shí)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(kāi)關(guān)主電路和驅動(dòng)方式省去隔離或自舉驅動(dòng)芯片，簡(jiǎn)化了驅動(dòng)器電路，適合于高溫環(huán)境下小功率電機驅動(dòng)。 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(zhuān)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，把電機母線(xiàn)電流的平均值限制在一個(gè)固定值，則電機系統的輸入輸入功率恒定，此時(shí)如果電機損耗基本不變，則電機的輸出功率也近似恒定，實(shí)現了近似恒功率運行。 恒功率運行可以保護電機本體、驅動(dòng)電路以及該電機所驅動(dòng)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。 定值時(shí)比較器輸出低電平，當母線(xiàn)電流低于設定值時(shí)比較器輸出高電平，從而控制功率器件通斷，使母線(xiàn)電流平均值保持恒定，實(shí)現恒功率控制。 1.4 驅動(dòng)器電源 驅動(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。本文采用集成穩壓器7805將功率電源的+12 V穩壓后得到+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(gè)驅動(dòng)器只需一個(gè)外部電源+12 V電源，大大簡(jiǎn)化了為驅動(dòng)器供電的電源，有利于高溫環(huán)境運行。 本文選用的單片機分別設置了獨立的模擬電源引腳AV。。和數字電源引腳DV。。。為可以防止AVDD被DVDD上的數字信號噪聲干擾。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(gè)磁珠串連一個(gè)1 n電阻隔開(kāi)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(guò)大而使芯片損壞。 2 系統軟件設計 單片機系統軟件主要由主程序、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。 (1)換相控制子程序所設計的驅動(dòng)器用于驅動(dòng)三相星形聯(lián)接無(wú)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(guò)向P2口送控制的方式實(shí)現換相控制。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(dòng)后單片機根據從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(jìn)行換相控制。 (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(jìn)行采樣并轉換成一個(gè)12位數字量，再送入到寄存器PWM0。為了實(shí)現電機的連續調速功能，本文首先通過(guò)AD控制特殊寄存器設置AD為連續轉換模式，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字量。 (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A／D轉換的結果及時(shí)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(dòng)器具有連續調速功能。PWM定時(shí)器工作頻率為12 MHz，PwM信號頻率為4 kHz。此時(shí)寄存器PWMl的設定值為12 MHZ，4 kHz=101110111000B。 3 實(shí)驗 本文對研制的驅動(dòng)器進(jìn)行了高溫環(huán)境運行的實(shí) 驗和限流恒功率運行實(shí)驗。 (1)高溫運行試驗把驅動(dòng)器放入恒溫箱，調節恒溫箱溫度達到150℃并保持恒溫，然后起動(dòng)電機，電機負載加到額定值，通過(guò)改變PwM占空比進(jìn)行在一定范圍內連續調速試驗，在連續運行3小時(shí)過(guò)程中，電機及驅動(dòng)器運行正常，母線(xiàn)電流值和相電流波形無(wú)變化。圖7是沒(méi)有限流和PwM控制時(shí)相電流的實(shí)測波形。重復以上實(shí)驗10次，電機及驅動(dòng)器累計運行30小時(shí)，驅動(dòng)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(shí)測的限流時(shí)限流電路輸出波形和母線(xiàn)電流波形。上面波形為母線(xiàn)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(xiàn)電流被限制在一個(gè)恒定值以下，實(shí)現了恒功率運行。 4 結語(yǔ) (1)本文所設計的小功率高溫無(wú)刷直流電機驅動(dòng)器，采用了特殊的開(kāi)關(guān)主電路結構，省去了功率器件的驅動(dòng)芯片；整個(gè)電路只需一個(gè)外部電源，電路結構簡(jiǎn)單，適合高溫運行。 (2)驅動(dòng)器能夠具有開(kāi)環(huán)調速控制功能，同時(shí)還具有限流功能，能夠實(shí)現恒功率控制，起到保護電機及驅動(dòng)器的作用。 (3)高溫實(shí)驗證明了驅動(dòng)器可以在150℃的高溫環(huán)境下可靠運行。 |
