一款基于PW-82521直流無刷電機驅動器的研制

李潔

【摘 要】針對機載雷達伺服驅動器體積小、集成度高、穩定性好、抗干擾能力強的需求，提出了一種直流無刷電機驅動器的設計方案。該驅動器以PW-82521模塊為驅動核心，采用全隔離方案實現強弱電信號間的電氣隔離，運用過流保護電路對電機進行保護。驅動器工作溫度范圍寬、硬件電路結構簡單、控制性能好、可靠性高、抗干擾能力強。經實驗驗證，在機載雷達工作環境下，此驅動器工作穩定。

【關 鍵 詞】PW-82521模塊，直流無刷電機，TVS管，過流保護

【中圖分類號】 TM33【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0256-02

0引言

永磁無刷直流電機具有運行效率高、調速性能好、結構簡單、運行可靠、維護方便等顯著優點[1]，適合應用在寬溫、強振動、大過載等惡略工作環境，并具有高可靠性指標要求的機載、球載雷達伺服系統中。

本文針對某型機載雷達伺服系統性能指標要求，提出以PW-82521模塊為核心驅動模塊的直流無刷電機驅動器的設計方案。此模塊是一款性能完備的智能型電機驅動模塊，可廣泛用于驅動直流無刷電機和直流有刷電機[2]，具有控制方式簡單、工作溫度范圍廣、重量輕、體積小、抗干擾性強、集成度高等諸多優點。驅動器設計了信號隔離電路增強系統的抗干擾能力，設計過流保護電路，確保電機長期、可靠的工作在允許的電流范圍內，提高系統的可靠性。

1 系統工作原理

1.1系統構成

系統結構框圖如圖1所示。

1.2 PW-82521工作原理

圖2是PW-82521在直流無刷電機伺服系統中采用電流環控制方案的典型應用電路圖。PW-82521額定工作電壓200V、電流10A、頻率10KHz～100KHz、占空比5%～95%，相關引腳定義為：

VBUS+A、VBUS+B、VBUS+C：模塊內部三相橋的供電電源端，接到外部供電電源的正端。VBUS-：VBUS+供電回路的負端。

VCC AND VCC RTN：模塊內部混合數字電路的電源端，供電電壓為+5V。

VDR：模塊內部MOSFET管驅動信號用電源，供電電壓為+15V。

VDD、VEE：模塊內部小信號邏輯電路供電電源。VDD供電電壓為+5V～+15V，VEE供電電壓為-5V～-15V，兩種電源值必須保持對稱。

SUPPLY GND：VDR，VDD，VEE電源回路的負端。此管腳與VBUS-管腳在模塊外部短接在一起。

CASE GND：管腳在模塊內部連接到混合電路回路。在一些應用場合，將此管腳連接到地上，可以起到抗電磁干擾的作用。

HALL A，B，C SIGNALS：電機HALL信號輸入端。

PHASE A，B，C：三相橋臂驅動信號輸出端。

ENABLE：模塊內部PWM信號使能控制信號，低電平有效。當信號為高電平無效時，模塊內部PWM信號被禁止，三相橋臂輸出信號均為0V電平。

TACH OUT：電機速度檢測端。信號為方波，頻率與電機速度相關。

DIR OUT：電機旋轉方向指示信號，低電平表示電機做順時針旋轉，高電平表示電機做逆時針旋轉。

CURRENT MONITOR OUT：電機電流采樣信號輸出端。此信號以電壓形式輸出，電流電壓比為2.5A/V，此信號不僅反映電流的大小同時反映電流的極性。

SYNC IN：外部時鐘信號輸入端。

PWM IN：比較信號輸入端，此信號控制PWM信號的占空比。PWM OUT信號或外部三角波信號和此管腳相連。

PWM OUT：模塊內部合成PWM信號的三角波信號的輸出端。輸出信號頻率的變化可以通過調節連接在此管腳與地端之間的電容容值來實現。

ERROR AMP INPUT，ERROR AMP OUT：誤差放大器的輸入端和輸出端。

COMMAND IN+，COMMAND IN-，

COMMAND GROUND，COMMAND OUT：控制信號運算放大器的輸入、輸出管腳。放大器為差分運算放大器。

2 硬件設計

按照功能，驅動器的硬件電路劃分為：驅動模塊，輔助電源保護模塊、信號隔離及邏輯變換模塊、過流保護模塊。以下介紹各功能電路的硬件實現及器件選取。

2.1驅動模塊

由PW-82521為核心器件的驅動原理圖如圖3所示：

圖1中，C1選用高品質的鉭電容作為儲能器件；C2、C3、C4選用無感陶瓷電容；D1-D4為單向TVS器件；C13選用330pF電容，系統工作頻率為25kHz；R1～R4，C14決定電流環特性。

2.2輔助電源保護模塊

PW-82521正常工作需要母線電源和4種輔助電源。輔助電源的缺失或過壓都會引起模塊工作狀態的不穩定，嚴重的情況下可導致模塊的失效。本文設計的驅動器對所有輔助電源都進行了過壓保護，針對VDD和VEE設計了電源檢測電路，采用簡便易行的光電檢測電路。

過壓保護采取選用優質鉭電容和并聯TVS管的雙重措施。圖3中C5～C8選用20uF的貼片式固態鉭電容，C9～C12選用104K的無感陶瓷電容，圖3中D1～D4為TVS管。TVS管即瞬態電壓抑制二極管[3]，它在規定的反向應用條件下，當承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低的導通值，允許大電流通過，并將電壓箝制到預定水平，從而有效地保護電子線路中的精密元器件免受損壞。TVS管的選取可以遵循以下原則[3]：

（1） 最大箝位電壓Vc（max）不大于電路的最大允許安全電壓；

（2） 最大反向工作電壓（變位電壓）VRWM不低于電路的最大工作電壓，一般可以選VRWM等于或略高于電路最大工作電壓；

（3） 額定的最大脈沖功率，必須大于電路中出現的最大瞬態浪涌功率。

2.3信號隔離及邏輯變換模塊

電機驅動信號為大電流信號易對控制信號產生干擾，為了確保來自控制單元控制信號和采樣信號不受電機信號的干擾，本文設計的驅動器選用強弱電信號全隔離的方案，以確保驅動器具有較強的抗干擾能力。電流大小及極性的控制信號的隔離選取差分運放隔離的方式，功能芯片選用INA117，使能控制信號及電機工作狀態的檢測信號的隔離方式選取光電隔離的方式，功能芯片選用HCPL6651，電路原理圖如圖4所示：

2.4過流保護電路

機載雷達天線座結構緊湊，電機的安裝空間狹小、形式復雜、不易拆裝，而且電機的容量余度不能選取過大。因此必須盡量避免電機因長時間過流引起繞組發熱而燒毀電機的事故。

本文針對上述描述的電機保護問題，設計了電機電流過流保護電路，如圖5所示：

絕對值電路將雙極性的電流采樣信號轉變為單極性的信號原理如圖5（a）所示。延時電路用來區分過流的狀態，對不至引起電機損壞的短時的過流現象進行保護屏蔽，保護的延時時間由圖5（b）中R1、R2、C1構成的充放電電路和預設的保護基準Ref2來決定。

3 系統實驗

圖6給出空載0-1500rpm速度階躍響應波形。由圖可以看出速度響應時間小于15ms，且無超調，滿足系統帶寬要求。

4 結束語

本文設計了以PW-82521為核心器件的直流無刷電機驅動器，該驅動器成功應用于某型機載雷達伺服系統，通過高低溫實驗、振動沖擊實驗、可靠性實驗及電磁干擾實驗驗證，此驅動器工作性能穩定可靠。在研制過程中有以下總結：

1） PW-82521模塊的VBUS+和VBUS-管腳選用高品質無感高頻濾波電容就近連接，能提高抗干擾能力。

2） 輔助電路的地與PW-82521模塊的地需選用星形單點接地的連接方式以提高系統的抗干擾能力。

3） 合理選配模塊的輔助電源端并聯TVS管，可以大大降低由電源沖擊造成的模塊損壞。

4） 合理配置PW-82521模塊的工作頻率及散熱方式，降低因器件過熱引起的失效風險。

參考文獻

[1] 王琛.直流無刷電動機原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2004

[2] PW-82520/21N 數據手冊 .DDC公司，2003

[3] 《應用指南》永光電子有限公司，2012