一種無刷直流起動電機控制器設計

， ，自偉，

(貴州航天林泉電機有限公司，貴州貴陽550081)

0 引言

由于直流電動機具有良好的機械特性、較大的啟動力矩、較寬的調速范圍、不需要復雜的外圍控制電路等優點，在各行業得到了廣泛應用。在過去的直流電動機設計中，大多采用電刷和滑環組成的機械整流器進行機械換向，這種方式具有火花、換相噪聲、壽命短、干擾無線電等諸多缺點[1-2]。隨著功率半導體技術、電子技術、高性能鐵磁材料制造技術的飛速發展，直流電機的無刷化應運而生，它不僅保留了直流電動機的優點，而且還具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便、體積小、效率高、功率密度大等一系列優點[5-6]。

本文以額定工作電壓為28 V、9 s內實現額定負載轉速大于8000 r/min、額定工作電流不大于300 A的無刷直流起動電機為應用背景，闡述了一種無刷直流電動機控制器設計。本文構建了基于數字控制芯片(dsPIC30F4012)的無刷直流電動機控制系統，并結合系統要求電機堵轉的功能特點，提出了一種基于無刷直流電動機相電流截止負反饋設計方案，并完成相應的硬件電路、軟件控制算法設計。

1 無刷直流電動機控制方案選擇

圖1 無刷直流電動機組成

本文介紹的無刷直流電動機用于燃氣渦輪起動機，主要功能是輸出一定的轉矩和轉速，將燃氣渦輪起動機帶動至點火轉速，保證成功點火。電機本體與控制器采用一體化設計方案，見圖1所示。

工程應用上，對無刷直流電機的運行特性作如下假設[3]：

a)電機的氣隙磁感應強度沿氣隙矩形分布；

b)繞組通電時，該電流所產生的電樞反應去磁對主磁極磁通影響忽略不計；

c)功率器件在開關狀態下的管壓降為恒值；

d)各相繞組對稱，其對應的控制單元完全一致，相應電氣時間常數忽略不計；

e)傳感器及控制電路等功耗忽略不計；

經過上述假設后，定義如下：

(1)

(2)

主電路和功率管的換相方式確定后，其反電動勢系數和轉矩系數為常數。

由以上假設得出電機的電壓平衡方程[3]：

V-ΔV=Ea+IR

(3)

經式(1)、式(2)、式(3)進行變換整理后得其機械特性方程[3]：

(4)

式中：n—電機轉速，r/min；V—電源電壓，V；ΔV—功率管壓降，V；Ke—電動勢系數；KT—轉矩系數；Ta—電動轉矩平均值，N·m；R—無刷直流電機內阻，Ω。

由上述可知，無刷直流電機的反電動勢與電機的轉速成正比，轉矩與相電流成正比。

根據上述分析，轉矩與相電流成正比，對無刷直流電機的轉矩控制轉換為對相電流控制。本文要求無刷直流起動電機具有保護的功能，因此選擇對電機的相電流進行控制是較合理的方案，同時通過調節功率管的PWM占空比，實現負載下的平滑運行。

2 硬件設計

2.1 系統原理框圖

圖2為基于dsPIC30F4012的無刷直流起動電機控制器原理框圖，采用dsPIC30F4012最小系統作為主控電路，處理采集到的霍爾信號、相電流、硬件中斷信號，經軟件計算后，輸出相應的PWM信號，從而改變無刷直流起動電機驅動電路及功率管的導通順序，實現對電機轉動的控制。DC/DC電源變換模塊將輸入(Vi)28 V母線電壓變換為5 V和15 V，將5 V作為控制信號電源、15 V作為三相驅動電路電源；電機的霍爾位置傳感器與dsPIC30F4012的CN中斷輸入引腳相連接；電流傳感器選用LEM公司的電流傳感器，供電電壓為5 V，電流測量范圍為±500 A，輸出電壓范圍0 V～5 V，經相電流檢測/處理電路調整為0 V～5 V后與AN0、AN1引腳相連，同時將軟件配置為模擬輸入模式，使用dsPIC30F4012自帶的A/D采樣進行采樣，將采樣的相電流進行數字處理，實現軟件過流保護；功率管選用日本三菱公司生產的集成功率模塊，其額定電壓150 V，額定電流300 A，其拓撲結構為典型的三相全橋電路[7]，采用高低端懸浮驅動方式，驅動電路選用IR2110高性能MOSFET驅動集成電路，IR2110驅動電路的SD引腳采用與相電流采樣信號相關聯的設計，當相電流超過設定值時，則會出現高電平的過流保護信號，將封鎖驅動功率管的驅動信號，從而實現硬件過流保護。

圖2 無刷直流起動電機控制器原理框圖

dsPIC30F4012無刷直流電機控制電路具有以下特性[4]：1)采用CMOS制造技術，具有2.5 V～5 V的寬電壓供電范圍、低功耗；2)模擬、數字信號控制器特性；3)豐富的外設資源；4)電機控制PWM模塊；5)編程環境和編程語言簡單、靈活。

2.2 驅動電路

無刷直流起動電機控制器的驅動采用IR2110硬件電路，其橋臂驅動原理圖如圖3所示。IR2110的工作電壓為10 V～20 V，有高端懸浮輸出通道，經外圍電路參數匹配后，可以驅動N溝道功率MOSFET，最高電壓可達600 V。將SD引腳與硬件過流保護信號相連接；當出現相電流過流時，產生高電平輸入至SD引腳，IR2110的SD引腳出現高電平時即可對輸出的驅動信號進行封鎖，達到硬件過流保護的目的。

圖3 IR2010S自舉驅動的驅動原理圖

2.3 相電流檢測/保護電路

無刷直流電動機控制系統中，保護電路起到了不可或缺的部分，其作用是保護控制系統核心部件免受高壓、大電流沖擊而損壞，整個系統的保護設計主要由電源隔離電路、相電流檢測/保護電路兩部分組成。

電源隔離電路是將電機功率電壓與控制電壓隔離開，分成三套供電系統：28 V供電系統、5 V控制系統、15 V驅動系統。三路供電系統相互協調工作，不會因某一部分的故障導致其余電路，從而實現控制電路的保護作用。

相電流檢測/保護電路是通過電流傳感器將電機繞組的相電流進行采樣，將電流信號轉換為0 V～5 V的電壓信號，通過對電壓信號的控制實現對相電流的控制，本文的相電流檢測/保護電路簡化框圖如圖4所示。

圖4 相電流檢測/保護電路原理圖

電流傳感器將U、W的相繞組的電流轉換為電壓信號(圖4中的電氣網絡標識為IU、IW)，經電壓跟隨、硬件濾波、硬件比較后，輸出過流保護信號SD；電動機在運行時，繞組上的電流方向存在正向和負向，所以在設置硬件保護電流時應設置正向(標識為“Ref+”)、負向(標識為“Ref-”)電流閾值。當相電流超過正向電流設定值Ref+或超過負向電流設定值Ref-，將產生高電平的SD信號，進而封鎖IR2010S驅動電路的驅動信號，同時將SD信號送至dsPIC30F4012的外部中斷INT1引腳，作為軟件過流中斷輸入信號，通過硬件、軟件雙重方式實現無刷直流起動電機的相電流檢測和保護。

3 軟件設計

3.1 軟件開發簡介

程序開發采用MPLAB?IDE集成開發環境，支持匯編語言、C語言或者混合編程語言的源文件編輯，程序編譯、下載時間短，支持產品在線調試。所用的編譯器為MPLAB C30編譯器，是一個全功能優化的編譯器，可將標準的C語言程序編譯為dsPIC30F4012可執行的匯編語言代碼，同時還支持其他命令進行選項和語言擴展，將其硬件資源進行訪問，以便于更好地生產程序代碼[4]。

3.2 電機換相軟件設計

如圖2所示，本文提及的電子換向線路采用三相橋式接法，換流制式為二相導通的三相六狀態，換相過程如下，令轉子磁極軸線與定子A相繞組的軸線的夾角為θ電角度：

當θ=30°時，Q1、Q6導通，即Vin+→Q1→U→V→Q6→Vin-；

當θ=90°時，Q1、Q2導通，即Vin+→Q1→U→W→Q2→Vin-；

當θ=150°時，Q3、Q2導通，即Vin+→Q3→V→W→Q2→Vin-；

當θ=210°時，Q3、Q4導通，即Vin+→Q3→V→U→Q4→Vin-；

當θ=270°時，Q5、Q4導通，即Vin+→Q5→W→U→Q4→Vin-；

當θ=330°時，Q5、Q6導通，即Vin+→Q5→W→U→Q6→Vin-；

當θ=390°時，重復θ=30°時的狀態。

電樞繞組的導通順序與功率開關管的導通順序之間的關系可用表1來表示，其中一個周期內每個功率開關管的導通角為120°電角度，一個磁狀態所持續的電角度為60°。

根據上述導通方式，并結合霍爾位置傳感器的輸入信號，對本文所設計的換相設計為數組StateLo

表1二相導通星形三相六狀態導通順序表

TableClk[]={ 0x0000，0x2100，0x0600，0x2400，0x1800，0x0900，0x1200，0x0000}，其中狀態0和狀態7為無效狀態。

3.3 程序執行流程

相關程序流程圖如圖5所示，在程序執行流程中，首先對I/O、CN、ADC等相關參數進行初始化，初始化完成后，對電流傳感器參數進行校正，降低硬件電路參數誤差對電機相電流采樣的誤差；電機運行過程中，實時計算電機的轉速，將電機的轉速與相電流保護進行關聯設計，在本文進行了參數及對應關系的設計。使用dsPIC30F4012的定時器功能對運行時間進行計時，保證產品上電運行9 s后自動關閉PWM信號，待系統斷電后重新起動運行，即可重新上述運行狀態。

圖5 程序執行流程圖

4 實驗結果

圖6 28V供電，額定負載下的母線電流波形

根據圖2所示原理框圖及上述軟件設計算法構建實驗平臺。在額定負載條件下，輸入電壓在22 V～30 V范圍內變化，輸出最大電流及轉速如表2所示，電機轉速測量采用轉速傳感器獲取。28 V供電，額定負載下的母線電流波形如圖6所示。波形采用Tektronix TPS2014B示波器獲取。

表2額定負載，不同輸入電壓下的母線最大電流和轉速

表2數據表明，在22 V～30 V供電輸入，電機額定負載下，母線電流小于300 A、轉速大于8000 r/min；與系統進行聯試時，滿足系統運行要求。

5 結論

1)根據無刷直流起動電機項目的要求，構建了相應的控制器硬件、軟件結構，實現了硬件結構、軟件算法的設計。

2)采用了基于數字控制芯片(dsPIC30F4012)的無刷直流電動機相電流截止負反饋的控制算法設計，對硬件、軟件設計的關鍵點進行了論述，并實現了在額定負載下帶載運行下的保護功能。

3)實測結果表明：本文設計的無刷直流起動電機控制器能滿足供電電壓為28 V、額定工作電流不大于400 A、電機轉軸防堵轉保護的功能。