直流无刷电机 更新时间：2011-05-27 16:20

本词条由华强电子网用户提供，如果涉嫌侵权，请与我们客服联系，我们核实后将及时处理。

直流无刷电机的电机本身是机电能量转换部分，它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。永磁磁场的发展与永磁材料的应用密切相关，第三代永磁材料的应用，促使直流无刷电机向高效率、小型化、节能方向迈进。

直流无刷电机的控制结构

• 直流无刷电机是同步电机的一种,也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(p)影响:

  n=120.f / p。在转子极数固定情况下,改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器),控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正,以期达到接近直流电机特性的方式.也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。

  直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) :电源部提供三相电源给电机,控制部则依需求转换输入电源频率。
  

  电源部可以直接以直流电输入(一般为24v)或以交流电输入(110v/220 v),如果输入是交流电就得先经转换器(cONverter)转成直流.不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(q1～q6)分为上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供pwm(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制,所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor),做为速度之闭回路控制,同时也做为相序控制的依据.但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。

直流无刷电机控制系统的研究

• 1．前言

  舵机是飞行器的重要组成部分，其性能指标的优劣直接影响飞行器的制导精度。舵机伺服系统是一个高精度的位置伺服系统，舵机控制器接受制导计算机给出的舵面偏角信号，用它的输出指令来操纵导弹舵面的偏转，从而改变导弹的航行姿势或航行轨迹，以达到控制导弹飞行轨迹的目的。

  随着航空航天的蓬勃发展、各种先进的精确制导武器的研制，人们对导弹上的舵机系统的整体性能要求越来越高。无刷直流电动机既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、调速性能好，控制精度高的优点，在工程和技术方面得到了广泛的应用。DSP 是一种广泛适用于各种电机控制的数字信号处理器，它将电机控制所需要的外围电路集于一体，能够大大提高系统的可靠性。

  然而在实际应用中，由于稀土永磁电机磁性材料存在磁滞、饱和现象，永磁体磁性能随温度非线性变化，使无刷直流电动机（BLDCM）具有非线性、多变量、强耦合及参数摄动大等特点。另外，BLDCM驱动装置存在死区、饱和等非线性，负载含有弹性、间隙和摩擦阻力死区等非线性因素，以及系统包含的未建模动态等，都将造成系统模型不准确及参数失配。

  因此在BLDCM理论分析、设计及控制策略研究中也不断出现有待进一步深入的新课题。应用鲁棒控制思想解决系统存在参数摄动及外部有界扰动的控制问题。传统的PID控制器具有原理简单直观、方便实现以及稳态精度好等优点，但在保证系统的快速性和抗外部千扰能力、尤其对系统参数摄动的鲁棒性等方面都无法收到满意的效果。

  新型鲁棒PID控制技术将PID控制算法与各种鲁棒控制理论相，形成了一系列参数自整定PID控制器，对于非线性、时变不确定性的复杂对象，其控制效果远远超过常规的PID控制器。

  本系统选用美国TI 公司的TMS320LF2407A DSP 芯片为控制器，无刷直流电机(BLDCM)为执行器，MOSFET 为驱动元件配以相应的控制软件，构成电流、速度、位置三闭环伺服系统 。文中介绍了系统的硬件设计原理及控制策略，并进行实验研究。

  2. 系统硬件设计

  硬件方案设计包括无刷直流电动机主回路和控制回路，主回路由直流电源、MOSFET 全桥电路和电机本体构成。控制回路以DSP 芯片TMS320LF2407A 为核心，以电流、速度为内环，位置为外环，由功率驱动电路以及接口电路和保护电路组成如图1。
  

  图1 硬件控制框图

  本系统采用PWM 方式实现对无刷直流电动机的控制。其工作原理是:交流电源经过隔离变压器隔离、调压器调压、整流器整流和滤波以后送入逆变器作为直流电源；系统通过光电编码器作为位置传感器检测电动机转子位置以便确定所需逆变器通电相序。系统采用三相星形连接全控电路，采用两两导通方式。每一瞬间有2 个功率管导通，每隔1 6 周期（60°电角度）换向一次，每次换向一个功率管，每一功率管导通120°电角度。

  2.1 TMS320LF2407A DSP 最小系统

  最小系统由DSP 本身或外接EPROM(或EEPROM)、 RAM、PLL 时钟模块、复位电路、译码电路等组成。PLL 时钟模块：包括晶体振荡器、回路滤波元件和电源连接部分。

  复位电路：具有上电自动复位、手动复位和+3.3V 供电电压欠压保护复位功能。电源转换：由于MS320LF2407的供电电压只能是3.3V，需要将5V 电源变换成3.3V 给 CPU 供电，输出电流可达1A 的TPS76833QPW作为5V 到3.3V 转换芯片，见图2。
  

  图2 电源转换及复位电路

  2.2 主电路

  主电路采直流稳压电源，全桥电路由六个MOSFET 场效应管构成。T1、T3、T5 三个P 沟道MOSFET 构成上桥，门级G 加负电压时导通。T2、T4、T6 三个N 沟道MOSFET 构成下桥，门级G 加正电压时导通；六个反馈二极管D1-D6 组成，采用低损耗缓冲电路，开关损耗小，工作可靠。

  2.3 电流检测和保护电路

  无刷直流电机的三相绕组在运行中任何时刻都只有两相导通，且为同一电流，所以在主回路串接一个反馈电阻Rf 代替常规的电流传感器，其电压值Uf 经过计算便得到间接的线电流测量值。Rf 可完成电流检测、限流和过流保护的功能。电压Uf 一路经滤波、放大、限幅后送入TMS320LF2407 的ADC 模块作为电流反馈值；另一路也经滤波、放大后送电压比较器，系统设定的过电流值作为电压比较器的参考电压，电压比较器的输出送入LF2407A 的PDPINTA 引脚，一旦电枢电流超过设定值，则PDPINTA引脚被拉为低电平，DSP 内部计数器停止计数，所有PWM 呈高阻态；同时产生中断信号，通知DSP 有异常情况发生，并在中断处理程序中，对故障进行判断。

  2.4 舵面位置检测

  导弹在飞行中通过控制舵面的偏角来控制导弹飞行的方向，因此舵机控制器必须根据制导计算机的给定位置信号来控制舵面的偏转。舵面位置信号检测是通过光电编码盘实现的。光电编码盘每个机械转有1024 个脉冲输出，每转为360°，那么每转一度就有1024/360=2.844 个脉冲的输出。转动20°偏角时，输出脉冲数为(1024 360)× 20 = 56.88。当舵机舵面偏转时，根据DSP 中检测到的计数器所计的脉冲数，就可以知舵面当前的位置。给定的舵面位置信号经接口电路送入DSP 的ADCIN01 端，该信号与当前的位置反馈信号相比较，经DSP 的运算处理转化为转速的参考量进行控制。

  3. 系统控制策略

  对于任何控制系统来说都有三个基本要求:稳、准、快，其中稳是最根本要求，准是要求稳态误差要小，快是要求超调量要小，调节时间要短。
  

  图3 IP 加H∞位置控制器的伺服系统

  在系统刚刚开始工作时误差很大，此时要解决的问题是快速响应；在误差较小时，要解决的问题是稳态性和静差。因此，为了获取更好的控制效果，本文采用了Bang-Bang 控制器和鲁棒-IP 控制器相结合的方式，在大误差时采用Bang-Bang 控制器以满足快速响应减小误差的效果，当误差在一定范围内时采用鲁棒-IP 控制器以达到所要求的稳定性和静差。通过检测系统误差所处的范围来采取不同的控制策略，可以使系统尽快地向误差消除的方向运动，不但可以提高系统的快速响应，而且还能避免积分饱和的现象。本文采用IP 位置控制器和鲁棒控制器联合。H∞鲁棒控制器K1(s)的作用就是要使得被控对象在参数摄动及外部扰动下对象模型摄动足够小。这样，IP 控制器K2(s)的选取仅针对标称模型即可，如图3。

  实验中电机采用深圳铭雅戈电机有限公司的无刷直流电动机，额定功率：1487W，额定电压：DC80V，额定电流：18.6A，额定转速：3307r/min，三相Y 型连接，二对极。图4a 为空载下电机的阶跃响应对比，图4b 为空载下电机受到干扰后的阶跃响应对比，其中红线为本文所提到的Bang Bang/IP+H∞控制器，蓝线为传统的位置环PI 控制器。从图中可以看出，给定信号为20°时，位置环PI 控制器的上升时间 tr =0.18s，调整时间 ts =0.275s，稳态误差为 ess =2.98°，超调量1.63[%]；Bang Bang/IP+H∞控制器的上升时间为 tr =0.175s，调整时间为 ts =0.225s，稳态误差为 ess =2.52°，无超调无震荡。当受到干扰时，位置环PI 控制器的调节时间为1.3s，有震荡；而Bang/IP+H∞控制器的调节时间为0.675s，无震荡。
  

  图4 系统响应对比曲线

  5.结论

  通过实验结果表明，本文所设计的位置控制系统能够使得系统鲁棒稳定，并能有效抑制系统内部参数变化和非线性等不确定性、外界负载干扰的影响，本系统的位置跟踪较传统PID 控制器性能优良。

利用ARM7对无刷电机实施磁场定向控制

• 有刷和无刷电机之间最显着的区别是是否配置有常见的电刷-换向器(Brush-Commutator)。过去一个世纪以来，有刷直流电机的换向一直是通过石墨电刷与安装在转子上的环形换向器相接触来实现的。

  而无刷电机则通过霍尔传感器(Hallsensor)把转子位置反馈回控制电路，使其能够获知电机相位换向(顺序)的准确时间。大多数无刷电机生产商生产的电机都具有三个霍尔效应定位传感器。由于无刷电机没有电刷，故也没有相关接口，因此更干净，声学噪声更小，事实上无需维护，寿命更长。

  那么，还有什么是有待更进一步的呢?尽管电机业对无刷电机优势的认识日益加深，但迄今工作仍只限于开发上述的无刷电机霍尔传感器控制电子元件。

  目前对电机驱动盒和电机驱动卡开发的需求十分急迫，它们能为设计人员提供微控制器、可编程能力和驱动器，并把所有这些功能都集成在一个单一封装内。不论是在数字还是模拟模式下，本质上是这种集成方式完成各种电机应用必需的换向。没有这种集成，无刷电机就不起作用。

  在选择最佳驱动器时，脉宽调制(PWM)IC正逐渐作为一种首选技术受到认可。最佳驱动器的选择仅取决于效率。线性电路的缺点在中端开始突显，此时输出电平为50[%]左右。在这种输出电平时，旁路元件的阻抗等于负载阻抗，这意味着放大器产生的热量等于供给负载的功率!简言之，当以中等功率等级驱动电阻式负载时，线性控制电路出现50[%]的最低效率。

  相对于有百年历史的有刷电机而言，无刷电机更干净、纤小和轻便，并正在稳步快速地向前发展。对于它们稳定且不断增加的受欢迎程度，仅以“是时候了”来概括显然过于保守。

  就在两年前，无刷电机还远比有刷电机昂贵。但受惠于设计技术和材料技术的进步，其价格急剧降低。如今，两种电机技术之间的成本差异只有10[%]。而最显着的转变则是设计人员开始紧密结合工业应用进行工作。传统上，这被认为属于硬核式有刷电机的应用领域，因为“干净”的工作环境并不是最重要的。但现在，由于成本门槛的降低，无刷电机不断获得新的应用。

无刷电机的功能分析及应用

• 直流无刷电机广泛应用于计算机外围设备、数控机床、机器人、伺服系统、汽车、家电等领域。本文介绍的电机驱动电路就是某稳定平台的角度伺服控制回路的驱动部分。本文中设计的基于CPLD的电机驱动电路，充分利用cPLD的硬件可编程和实现逻辑运算方便的特点，用一片CPLD代替原有十几片逻辑门和一部分模拟电路。采用VHDL语言编程实现相关逻辑。利用CPLD在线可编程的特点，可以很方便的对系统进行调试。

  1 无刷直流电机的驱动原理

  直流无刷电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路组成一个闭环系统。与一般的有刷电机不同，他的定子为电枢绕组，转子采用永磁体。本文介绍的电动机采用了3相Y型联结的全控电路，其基本构成如图1所示。
  

  其电子开关电路为6个IGBT组成的三相逆变电路。直流无刷电机驱动电路的作用就是对来自电机转子位置传感器的位置信号、来自外部的PWM控制信号以及其他控制信号采样并进行译码，使A，B，C三相绕组能按要求的顺序导通，实现定子绕组的正确换相，从而使电机正常运行。在实际应用中还要对电机的过压、欠压、过流、过热保护等进行设计。并按要求进行光电隔离和基极驱动电路设计。

  2 系统总体方案设计

  电动机驱动电路包括3个部分，即：

  (1)CPLD核心控制电路；

  (2)驱动及隔离电路；

  (3)IPM接口电路；其系统框图如图2所示。
  

  3 硬件电路设计

  3.1 CPLD控制电路

  该部分是电动机驱动电路的核心部分见图3，其信号采集、换相译码、死区发生器设计以及故障处理均由该部分完成。采集的信号有：电机控制器的PWM信号；正反转控制信号；经过整形的电机的霍尔位置传感器的位置信号；来自IPM模块的电机的欠压、过压、过流、过热等故障检测信号。这些信号输入到CPLD后，通过CPLD的软件实现换相译码、编程死区和电机保护逻辑，最后输出控制信号UP，VP，WP，UN，VN，WN到IPM的三相逆变电路。控制电机的三相电枢正确换相，从而使电机正常运行。

  霍尔传感器信号的整形电路如图4所示：
  

  采用4路精密电压比较器LM339完成。对来自霍尔传感器的信号进行整形，并对输出到CPLD的信号加滤波电容滤波。

  3.2 驱动隔离电路

  驱动隔离电路包括光电隔离电路和基极驱动电路。

  光电隔离电路的作用是实现CPLD控制电路与IPM模块之间的电气隔离。隔离信号有2部分：

  (1)CPLD输出到IPM模块的UP等控制信号；

  (2)IPM反馈给CPLD的电机故障诊断信号F1，F2，F3，F4；

  UP等信号的电气隔离采用高速光电耦合芯片6N137，该芯片的最大延迟时间为75 ns。可实现3 000 VDC的高电压隔离，适合于电气控制场合。IPM反馈给CPLD信号的电气隔离由光电耦合芯片4N25完成，如图5所示。
  

  基极驱动电路采用9014三极管，并使三极管工作在开关状态。增加控制信号的驱动能力，并最终输出控制电压给IPM模块的三相逆变电路。如图6所示：
  

  3.3 IPM接口电路设计

  IPM(智能功率模块)将多个IGBT集成到一起，广泛应用于无噪声逆变器、低噪声UPS和伺服控制器中。一般含有栅极驱动、短路保护、过压、过流保护等。本文采用三菱电机生产的PM75CSA120的IPM模块实现驱动电机所需的三相逆变电路。他内部集成6只IGBT，每2只对应电机的一相。其额定负载电流为75 A，额定控制电压为1 200 V。另外还集成过流、过热、欠压、短路等故障检测电路，其示意图如图7所示。
  

  出现故障时，IPM会将检测信号FO送到CPLD进行处理，采取相应的措施，提高系统的可靠性。

  IPM工作需要单独的电源供电，与控制电路电源严格分开。其中上桥臂的3个IGBT各自需要1路电源，下桥臂的3个IGBT共用1个电源，这样就需要4路电源。其电源模块的电路如图8所示。

  智能功率模块将功率电子器件和驱动电路集成到一起，并且内藏有故障检测电路，不仅体积小，而且可靠性高。

  4 系统软件设计

  4.1 软件构架设计

  CPLD的软件采用VHDL语言编程实现。软件模块间的程序并行执行，没有程序流程图，只能用程序架构表示。CPLD的软件主要有电机的换相译码、死区发生器设计、故障处理和PWM与转向控制等功能，其软件构架如图9所示。
  

  4.2 换相译码程序设计

  换相译码器的作用是根据当前位置信号和PWM控制信号以及转向控制信号Q，确定出UP，VP，WP，UN，VN，WN的相应值。需要实现的逻辑表达式为：
  

  4.3 死区发生器设计

  为防止三相逆变电路上下桥臂的IGBT产生“共态导通”的现象，导致短路。需要给IGBT的控制信号的上升沿设置死区，使其在一段延时之后才真正达到高电平。

  死区发生器设计采用饱和计数器的方式，类似于电容的充放电过程，需产生如图10所示的时序。其规则为：

  (1)当UP[_]IN输入为0时，如果计数值T等于0，则计数值T保持不变，否则作减1计数；

  (2)当UP[_]IN输入为1时，如果计数值T等于max，则计数值T保持不变，否则做加1计数；

  (3)当输入为1且死区计数器数值T为MAX时，UP=1对应IGBT导通；

  (4)当死区计数器数值在0～MAX之间时，UP=0，对应IGBT关闭；

  下面为死区时间为N个时钟周期的VHDL程序，程序的运行结果如下。
  

  
  

  4.4 IPM故障处理

  在系统中故障检测信号的处理是把信号引入到CPLD中，然后UP实现的逻辑后输出，既保证IPM出现故障时，UP无输出，又保证UP与UN的反逻辑。

  5 结 语

  介绍一种采用CPLD做核心控制器的无刷直流电动机的驱动电路的设计。实现电机驱动所需的换相逻辑、电机运行故障处理以及可以灵活设置死区时间的死区发生器。该电机驱动电路可以用于高精度的伺服控制系统中。