一種基于小功率高溫無(wú)刷直流電動(dòng)機驅動(dòng)器設計

發(fā)布時(shí)間:2010-8-19 17:28    發(fā)布者:lavida
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。
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