戴贻康;焦运良;范晶
【摘 要】无刷直流电机是广泛应用于电动汽车、数控机床和家电等领域的重要器件.采用MOS管和专用栅极驱动芯片搭建H桥式驱动电路,主控电路基于ARM微处理器,利用PWM方波通过控制电枢电压的大小占空比从而调节电机速度,以及利用霍尔电流传感器检测电机电流大小监测电机运行情况,从而达到稳定、精细、准确地控制无刷直流电机的正常运行.经实验表明,H桥式电路可以实现无刷直流电机正反运转,并且工作稳定、功耗小、效率高,实现了无刷直流电机稳定可靠软启动和平稳精细调速控制. 【期刊名称】《微型机与应用》
【年(卷),期】2019(038)008
【总页数】6页(P58-63)
【关键词】锚杆挡墙无刷直流电机;H桥式驱动电路;PWM;效率高;平稳调速
共鸣管测声速
【作 者】戴贻康;焦运良;范晶
【作者单位】华北计算机系统工程研究所,北京100083;华北计算机系统工程研究所,北京100083;华北计算机系统工程研究所,北京100083
【正文语种】中 文电梯监控方案
【中图分类】TP277
0 引言
无刷直流电机因其无磨损、噪声小、功耗低和效率高的特点而应用于航空航天、医疗、家电和工业自动化等各个领域[1]。电子换相、转子位置检测器和电机本体构成了无刷直流电机，其中电子换相的驱动控制电路是整个无刷直流电机伺服系统的基础部分，其设计的好坏直接决定了整个系统无刷直流电机运行的性能高低[2]。单纯地以线性功率放大器放大信号控制电机的方式，因功耗大和效率低而逐渐被淘汰；现常采用的方法是利用MOS管和栅极驱动芯片IR2110构成H桥可逆PWM驱动电路，驱动无刷直流电机实现正反运转。该方式工作稳定，功耗较低而效率很高，可以对无刷直流电机平稳调速控制[3]。
黑猎蝽养蜂专用车1 无刷直流电机
1.1 无刷直流电机结构
无刷直流电机具有旋转的磁场和固定的电枢，电子换相线路中的功率开关器件直接与绕组相连。电机装有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置，与电子换相线路一起构成无刷直流电机的电子换相装置。因此无刷直流电机主要由电子换相、转子位置检测器和电机本体三大部分组成，如图1所示。其中电子换相的控制驱动电路是最重要的部分，导通次序与转子转角同步，起机械换向器的换相作用，控制着电机实现正反运行。
一氧化氮 笑气图1 无刷直流电机结构
1.2 无刷直流电机的工作原理
无刷直流电机的转子只有一对极，而定子绕组则有三个对称的绕组，其接法可以是三角形和星形(带中心点与不带中心点)等，而通电方式分为两相通电模式、三相通电模式以及两者混合的通电模式[4]。两相通电模式就是电机三个绕组中的其中两相导通，剩余一相关闭；三相通电模式则是三相同时导通电流，有一相的电流是反相；混合的通电模式中，以
交替的三相、两相进行通电。
选用常用的三相通电驱动，接法则采用星形和三角形形式。每相绕组的导通率是可以设定的，有60°、120°和360°等，对于桥式电路的换相电路来说，最佳的导通角度是120°，其常见的三相桥式电路如图2所示。
图2 无刷直流电机的H桥式驱动电路
逻辑控制信号按照一定的导通次序和规则进行上面的6个MOS管的导通与关闭，从而控制电机的运行。例如，以K1K4-K1K6-K3K6-K3K2-K5K2-K5K4-K1K4的导通顺序进行MOS管的控制。每个时刻上下臂的MOS管只有一个导通，以交叉的方式进行，形成三相六状态。在控制系统中，理想状态下的无刷直流电机只需PWM方波驱动，并且在换向时刻检测出转子的位置，就可以实现顺利的绕组电流换向。
1.3 无刷直流电机的驱动方式
无刷直流电机的驱动控制方式中，整体上分为三类：以继电器为主的功率级线性控制电路；以集成电机驱动芯片(如L298N)为主的简单控制电路；以MOS管和栅极驱动芯片搭建
桥式驱动电路的可靠稳定控制电路。
在大电流工作的电机电路中，要实现对电机的功率级控制，并且保持实时性要求在毫秒级以下时，通常采用继电器的驱动方式。使用两个单刀双掷开关间歇性工作就可以实现电机的正反控制，如图3所示。
图3 继电器控制电路
集成电机驱动芯片是专门用于驱动电机的集成电路，只需连接几个简单的控制信号便可以直接控制电机的正反转。其中，L298N内部包含4通道逻辑驱动电路，接收标准TTL逻辑电平信号，是一种典型的二相和四相电机专用驱动器[5]。其设计电路如图4所示。
以MOS管和栅极驱动芯片为主，搭建起H桥式可逆PWM驱动电路是现在通常采用的无刷直流电机驱动方式。因为其功率可控，高效而又可靠，同时可以平稳控制电机的转速而广泛应用于多种场合。
2 H桥式驱动电路的设计
2.1 总体设计
H桥式驱动电路主要由STM32芯片及其外围的基础电路、MOSFET开关电路和无刷直流电机组成。当H桥式驱动电路接收到主控芯片STM32发来的控制命令时，安全回路使能开启MOSFET开关电路工作，按照一定的导通次序工作使电机运转。在电机的母线上采样的电机电流经电传感器和位置传感器取样后，进行相应的运算，调整电机的转速与力矩，使其平稳地按需运转。总体的框架图如图5所示。
2.2 PWM调速控制
电机的转速控制可以分为励磁控制法和电枢控制法[6]。励磁控制法是控制三相导通的磁通量，低速时受到磁饱和限制，高速时则受到换相火花和换向结构强度的限制，导致其控制功率小、效率低，进而使其应用较少。更多采用的还是电枢电压控制法，其中PWM(脉宽调制)便是常见的一种调速方法。
图4 L298N驱动电路
图5 H桥式驱动电路总体框架
PWM调速的基本原理就是按照一个固定频率(方波)波形来接通和断开电源，并根据需要改
变一个周期内接通和断开的时间占比比例(占空比)来改变电机电枢上的电压“1”和“0”的占比比例，从而改变接通电机的平均电压，控制电机运转的转速。采用计数PWM的方波周期个数来检测电机的运行速度，从而实现对电机的平稳控制，启动和停止时对电机运行系统的冲击微小，启动功耗低，实现无刷直流电机的平稳顺利运行。
2.3 H桥式驱动电路设计
作为开关器件的晶体管器件一般选择功率MOSFET管，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，符合电机频繁开关控制的需求。常用4个功率MOS管组成2对上下臂H形状的桥式电路，该电路设计简单，成本低廉，易于实现。因此一侧MOS管的上下管间断导通，与另外一侧的上下管形成对角MOS管导通形式，在PWM驱动下按时序进行两个对角管的轮流导通，就形成了两个方向的电流流向，也就驱动电机实现正反转。
本文选用6个MOSFET或者IGBT构成三相120°桥式逆变电路。功率器件选用IR公司的IRFP460A管，导通电阻只有0.22 Ω，漏极电流最大20 A，Vdss为500 V，导通时间为50 ns左右；驱动隔离芯片则采用IR2110，供电电压为10～20 V，电气隔离电压高达2 500 V，逻辑供电电压则为3.3～20 V，采用自举悬浮的形式驱动MOS管导通，并且内部含有电
压比较保护、过流保护等电路，确保驱动电路的简单可靠。其中一个MOSFET驱动逻辑电路和全桥式逆变电路分别如图6和图7所示。
图6 驱动逻辑电路
以6n137高速光耦为电气隔离器件，实现对来自STM32发出的PWM信号与电机的驱动部分进行隔离，防止电机转动产生的扰动噪声和尖峰电压串入主芯片，引起芯片工作异常而使系统瘫痪。其输出信号再接入IR2110驱动芯片，作为启动芯片工作的控制信号。与单纯地采用继电器的驱动方式比较，该方法隔离出高压、模拟信号，减少了模拟信号对MOS管控制信号的影响，同时降低了线圈的电流损耗，电流负载效率得到提高。
三相绕组端U、V、W分别连接到两个大功率MOSFET组成三相全桥电路，在任意一个状态下都是两相串联导通，一相为正，另外一相为负，第三相对应的桥臂上的两个MOSFET都关断。如按照UV-UW-VW的方式进行导通与关闭。其中C2、C5、C8分别为一相绕组的上桥臂MOS管导通提供自举电压，R3、R8、R12阻值选择15 kΩ，为上桥臂MOS管Q3、Q5、Q4的反向导通和死区之间的无导通提供一个泄放通路，保护MOS管不会因此而发生损坏。同样TVS管D1、D2、D5、D7、D8、D9分别为六个功率管的漏源级之间的电压保
护器件，防止外界高压串入击穿功率管。此电路与基于L298N的专用电机驱动芯片电路相比较，可以通过调整连接在MOS管漏级上的电阻大小来控制导通电流大小，使其工作在饱和状态和防止共态导通，提高电路的电流负载效率。
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