直流電機的設計與優化

金沁

摘要：無刷直流電機（BLDCM）因為可靠性高，維護便利、噪音小等優點，遍及于大功率開關器件的應用之中，并與專用集成電路、新型控制理論及電機理論的成長緊密連系，體現著當今科學的許多最新成效，因此具有廣泛的應用前景和強大的生命力。電機的驅動電路部分與數字控制部分相比較，為伺服控制系統中的重要組成部分，驅動電路是主控芯片與直流無刷電機聯結的紐帶。因而，電機驅動電路的性能將直接影響到該系統的整體性能和可靠性。本文就對直流電機的設計與優化進行分析和探討。

關鍵詞：直流電機;設計;優化

1直流無刷電機結構

直流無刷電機結構示意圖如圖1 所示，電機轉子由永磁體和鐵心組成，有內嵌式和凸極式兩種結構，定子由鋼片和電樞繞組組成，通過位置傳感器檢測電機轉子和定子相對位置。位置傳感器有光電式、電磁式和霍爾式三種。其中，霍爾式位置傳感器因其性能可靠、結構簡單、成本較低等優點，故應用最廣泛。通過直流無刷電機進行高性能控制系統設計，常用三相全橋驅動，以星形連接電機為例，原理圖如圖2 所示。采用兩兩導通模式，即三相六狀態120° 導通模式，金屬氧化物半導體場效應晶體管（ MOSFET，以下簡稱開關管） 導通順序為： V1、V2， V2、V3，V3、V4，V4、V5，V5、V6，V6、V1。每只開關管導通電角度120°，每個時刻有兩只開關管導通，每60° 電角度開關管換相一次，使定子電樞產生旋轉磁場，推動轉子轉動。直流無刷電機正反轉時，開關管的導通順序相反。

2直流無刷電機控制技術

關于直流無刷電機控制技術的發展，以當前在工業生產領域的應用情況來看，基本上集中體現在對轉速的控制層面上，簡單一點講，就是指直流無刷電機在工作運行的全過程，核心環節還是在于檢測控制系統中電機的轉速，強化對功率管的控制，主要是為了保護電機電路，比如過流保護、過壓保護等。在現實工業實踐應用中，直流無刷電機控制技術可以歸納總結為兩方面內容：①控制器轉變應用技術。直流無刷電機控制器，在早期發展階段，其基本形式構造主要還是表現為模擬控制器。進入到21 世紀以來，尤其是最近幾年，隨著數字化電機控制器設備及相關技術的開發與應用，在工業生產領域電機模擬和控制系統操作方面，也變得更加的簡單，并且這種技術設備本身就非常實用，物美價廉。但是受到技術層面、經濟投入的限制，模擬化電機控制系統也有許多不足之處，最主要的一點就是抗干擾能力較差，幾乎不可重復利用。隨著計算機軟件技術的蓬勃發展，在新一輪的技術研發方向上，直流無刷電機也逐漸由現代化的軟件程序代替傳統的硬件結構，其中，控制系統所運用的理論就是現代控制理論。②處理器轉變應用技術。當前，在我國國內電機控制處理器及其技術研究領域，用于電機控制的處理一般包括以下三種技術形式，分別包括有微處理器、專用集成電路、現代數字信號處理器等。其中，微處理器在實踐應用中，對于直流無刷電機在控制方面，無論是控制精度還是控制速度，都已經無法滿足當前工業生產與家用電器中人們的實際需求;而專用集成電路主要適用于那些對控制性能標準要求不高的電機，這種控制方法下設計出來的電路總體上相對簡單，也比較實用。基于上述關于現階段我國國內直流無刷電機控制技術的發展現狀的闡述， 重點提出大家普遍使用的現代DSP 來進一步解決工業生產及生活中人們對電機控制性能的技術要求。

3驅動系統控制電路設計

無刷直流電動機驅動系統，REPMM 為電動機本體，HA，HB，HC 為轉子位置傳感器檢測產生的霍爾信號， 電機驅動系統通過對轉子位置傳感器檢測的信號（HA、HB、HC）進行邏輯變換，即傳送到電路里的為數字信號，從而產生脈寬調制信號PWM，經過放大處理后傳送至逆變器的功率開關，從而控制電機按一定順序正常進行工作。

3.1 基于FAN73892 的驅動電路設計

FAN73892 是單片三相半橋柵極驅動器，設計用于高壓、高速驅動MOSFET 的工作頻率高達600 V。同時也是中小容量的功率場效應管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）功率器件專用柵極驅動芯片，通過自舉電路工作原理，縮減MOSFET 的開關時間，有助于盡量降低開關損耗，改善功率密度，提升整體轉換效率。它可以驅動橋式電路的低壓側的功率器件，可以驅動高側電源組件， 因此它被廣泛應用于電機控制、伺服驅動、UPS 電源等。無刷直流電機采用三相橋式逆變電路，正常情況下需要四組獨立電源， 這使驅動電路變得較為復雜，導致逆變器的可靠性降低，采用國外一家公司生產的專用芯片FAN73892，這款芯片只需一個供電電源便可驅動三相橋式逆變電路的6 個功率開關器件，使得驅動電路變得簡單可靠。

3.2 MOSFET 保護電路設計

對于現在傳統的三相直流無刷電機， 一般采用三相六狀態，120 度導通方式，其換相電路開關器件采用MOSFET 器件， 開關器件動作的實現需要獨立的驅動電路，且供電電源相互隔離。6 只MOSFET 功率管作為開關器件使用，構成三相橋式結構。若是將他們根據一定的組合方法和頻率進行開關，則能對三相無刷直流電機進行驅動。

功率MOSFET 系統采用三相六狀態的控制方法， 由于每周的運動需經歷六次換相， 每一相都有一個上橋臂和一個下橋臂為導通狀態，但每一對上下管不能同時導通，否則相當于電源短路。這六相分別為：Q1+Q6，Q3+Q6，Q3+Q2，Q5+Q2，Q5+Q4，Q1+Q4。在每一個階段，根據不同的功率MOSFET 的導通， 電流在電機中不同的方向流經不同的線圈，不斷的產生旋轉磁勢，從而推動電機的轉子轉動。

由于MOSFET 管承受短時過載能力比較小，特別在高頻的應用場合， 必須對功率MOSFET 管設計合理的保護電路，以便提高器件的可靠性。對功率MOSFET 驅動保護電路設計時，首先，采用MOS 驅動器的輸出與MOS 管之間串聯電阻的方法，避免在功率管在導通和快速關閉時， 由于漏極電壓的震蕩頻率造成的di/dt 過高而誤導通的現象。R4～R9是MOSFET 的門極驅動電阻。其次，MOS管柵極可以采用并聯電阻的方式來釋放柵極電荷，防止柵源極之間過電壓。為了防止漏源極之間過電壓，通常采用C 緩沖電路等保護措施。設計MOSFET保護電路，I_SEN 信號為MOSFET 上獲取的電流信號， 當電流過大或者發生短路時，I_SEN會迅速增加并超過額定值，造成MOSFET 器件燒毀。因此增加了MOSFET 的電路保護電路，經過U5（放大器），轉換為電壓保護電路。

4直流無刷電機控制系統的軟件設計

在電機控制系統軟件設計層面，重點圍繞著控制系統的程序設計來進行。在程序設計上，所涉及到的重要部分包括有直流無刷電機控制系統主程序設計、電機控制系統內部SVPWM 程序設計、電機控制系統內部中斷程序設計等，在上述程序設計環節，電機控制系統功能的發揮主要得益于中斷程序子系統的設計與實現。關于直流無刷電機控制系統的軟件設計主程序流程，具體呈現為“開始———DSP 及各模塊初始化———DSP 自檢———轉子磁極位置采樣———轉子轉速計算———定 子 電 流 采 樣———電 流 濾 波———Clarke 變 換———Park 變換———電流調節———Park 逆變換———Svpwm 控制”。

結語

隨著半導體工業的快速發展，直流無刷電機應運而生。直流無刷電機具有效率高、大扭矩、結構簡單、可靠性高等優點，被廣泛應用于航空航天、機器人、數控機床、汽車電子和家用電器等領域。與直流有刷電機相比，直流無刷電機沒有“電刷”結構，傳感器檢測電機轉子位置，通過電子換向器替代機械換向器實現電樞換相，因此直流無刷電機驅動設計較直流有刷電機復雜。為方便進行電機控制信號采集，并減小體積，可將電機驅動電路集成于直流無刷電機本體。分析直流無刷電機常用速度、扭矩和位置伺服系統的結構和原理，使用串級PID 控制方法指導伺服系統設計。

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