直流無刷電機的電機本身是機電能量轉換部分，它除了電機電樞、永磁勵磁兩部分外，還帶�傳感�。電機本身是直流無刷電機的核心，它不僅關系到性能指標、噪聲振�、可靠性和使用壽命�，還涉及制造費用及產品成本。由于采用永�磁場，使直流無刷電機擺脫一�直流電機的傳統設計和結構，滿足各種應用市場的要求，并向著省銅節(jié)材、制造簡便的方向�(fā)�。永磁磁場的�(fā)展與永磁材料的應用密切相關，第三代永磁材料的應用，促使直流無刷電機向高效率、小型化、節(jié)能方向邁��
直流無刷電機是同步電機的一�,也就是說電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極�(p)影響:
n=120.f / p。在轉子極數固定情況�,改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉�。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控�(驅動�),控制定子旋轉磁場的頻率并將電機轉子的轉速回授至控制中心反復校正,以期達到接近直流電機特性的方式.也就是說直流無刷電機能夠在額定負載范圍內當負載變化時仍可以控制電機轉子維持一定的轉速�
直流無刷驅動器包括電源部及控制部如圖 (1) :電源部提供三相電源給電機,控制部則依需求轉換輸入電源頻��
電源部可以直接以直流電輸�(一般為24v)或以交流電輸�(110v/220 v),如果輸入是交流電就得先經轉換�(cONverter)轉成直流.不論是直流電輸入或交流電輸入要轉入電機線圈前須先將直流電壓由換流�(inverter)轉成3相電壓來驅動電機。換流器(inverter)一般由6個功率晶體管(q1～q6)分為上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)連接電機作為控制流經電機線圈的開�?？刂撇縿t提供pwm(脈沖寬度調制)決定功率晶體管開關頻度及換流�(inverter)換相的時�。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度可以�(wěn)定于設定值而不會變動太大的速度控制,所以電機內部裝有能感應磁場的霍爾傳感器(hall-sensor),做為速度之閉回路控制,同時也做為相序控制的依據.但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制�
電機驅動能效不論提高多少，都會節(jié)省大量的電能，這就是市場對先進的電機控制算法的興趣日濃的部分原因。三相無刷電機主要指是交流感應異步電機和永磁同步電機。這些電機以能效高、可靠性高、維護成本低、產品成本低和靜音工作而著稱。感應電機已在水泵或風扇等工�(yè)應用中得到廣泛應�，并正在與永磁同步電機一起充斥家�、空�、汽車或伺服驅動器等市場。推動三相無刷電機發(fā)展的主要原因有：電子元器件的價格降低，實現復雜的控制策略以克服本身較差的動態(tài)性能成為可能�
以異步電機為�。簡單的設計需要給定子施加三�120°相移的正弦波電壓，這些繞組的排列方式能夠產生一種旋轉磁通量。利用變壓器效應，這個磁通量在轉子籠內感應出一股電流，然后產生轉子磁通量。就是這兩種磁通量相互作用產生電磁力矩，使電機旋轉。在轉子上感應出電流的條件是，確保轉子的轉速與定子的磁通量頻率不同；如果相�，轉子只經歷一個恒定的磁通量，不會有感應電流產生（楞次定律）。通電頻率和其產生的機械頻率之間的微小差異是異步電機命名的原因。一個三相交流電機實現轉速可調操作的最簡單方式�，實現一個所謂的電壓/頻率控制（或者叫做標量控制），其工作原理是在頻率與電機通電電壓之間保持恒比。這種方法產生一個恒定的定子磁通量，然后在轉子主軸上得到額定的電機力矩。對于應用負載特性被大家了解的低成本驅動�，以及控制帶寬要求不是很高的驅動器，如數量很少的HP泵和風扇、洗衣機等，這是一個很受歡迎的控制方法。一個MIPS不是很高并帶有合理的外設接口�8位單片機如ST7MC，即可滿足這種應用需�，同時編程也很簡單�
這種方法無法在瞬間工作過程中保證的電機特性（力矩、能效）。而且為防止電機出現臨時消磁現�，還必須限制驅動器反作用力的時間。為了克服這些限制條件，考慮到電機的動態(tài)特�，市場上出現了其他的控制策略。磁場定向控制（也稱矢量控制）是應用最廣泛的控制算�，目標應用包括帶式傳輸機、大功率水泵、汽車廢氣排�、工廠自動化。這種方法允許用兩個去耦的控制變量（下文簡稱Id和Iq）控制一個交流電�，就像控制分開勵磁的直流電機一�。勵磁電流Id產生直流主磁通量，而Iq則控制力�，功能與直流電機中的電樞電流一�。當負載�(fā)生變化時，磁場定向控制能夠對轉速進行精確的控制，響應速度�?�?，甚至在瞬間操作過程中，通過使定子和轉子的磁通量保持正交，可以優(yōu)化電機能�。這種方法可實現位置控制方案（通過瞬間力矩控制�，在低速運轉時釋放電機的全部力��
下面簡要介紹一下磁場定向控制的工作原理。把參考坐標系從固定的定子線圈換到運動的轉子磁通量坐標�，采用兩個著名的變換運算法則：Clarke變換和Park變換。Clarke變換是將120°相移三軸坐標�(Ia, Ib, Ic)轉換成兩軸直角坐標系(Ia, Ib)；Park變換是將固定� (Ia, Ib)坐標系統轉換成與轉子相關的兩軸旋轉坐標系(Id, Iq)。這兩個數值是直流或者變化緩慢的數值，采用簡單的PI控制器方法可以調整這兩個數��，利用逆變�(Park和Clarke逆變�)將其還原到固定的AC三相坐標�，如�1所示�
�1 磁場定向控制的工作原�
在各種矢量控制方法中，我們采用一個間接磁場定向控制方法，測量和處理的電機模型參數是轉子時間常數Lr/Rr（在轉差估算器模塊內�。如果電機是一個永磁同步電�，結構框圖和相應的功能將會非常相�，不再需要轉差估算器，磁通量命令可以設定為零(磁鐵自己產生磁通量)。算法只是這項工作的一部分：只要計算出電壓電平，就必須將其轉換成伏特和安培。像在任何一個現代功率電子系統一�，這個電機控制系統由肌肉（功率轉換器）和大腦（單片機）組�。驅動功率轉換器（俗稱逆變器）是由三個PWM輸出驅動。從�2中不難看�，一個功率強大的三路緩沖器將一�0-5V的邏輯信號，轉變成一�0-300V的方波信�，施加到電機端子�。電機的繞組電感起到一個低通濾波器的作用：去除載波頻率，平滑電流變�，形成一個正弦電流波�，即PWM調制的波��
�2 電機控制系統
讓我們從CPU開始逐個查看一個先進的電機驅動器系統的整體需�。整個矢量控制算法必須連續(xù)反復計算，計算速度�1~10 kHz之間�1ms一直到100μs閉環(huán)時間，視最終應用的帶寬而定）。系統需要大量的數學計算（三角函�、PID調整�、實時磁通量和基于電機參數的力矩估算�。此�，必須給應用的其余部分（通信、用戶界面等）的計算留有余地。為了不限制動態(tài)性能，主要控制變量需�16位的精度，中間結果需�32位計算能�。所有這些因素說明了矢量控制必須使用高�、高性能處理器的原因。市場現有產品包�16位或32位單片機、混合控制器或數字信號處理器，這些產品通常與先進的電機控制直接相關，如果你不是刻意追求速度最快的數字電流控制回路或最精確的曲線控�，一個基于ARM7處理器的解決方案剛好滿足磁通量定向控制的要�。除核心的性能�，若想限度減少外部組�，還需配備合理的外設接�。這樣設計可大大簡化設計過�，確保成本效益和可靠性（因為PCB設計被簡化）�
在信號生成方�，通用PWM通道是不適合�，必須使用電機控制專用PWM信號，因此必須采用三對同步互補PWM通道，含有死區(qū)時間插入功能，以防止半橋可能�(fā)生短路故�。為安全起見，當功率級出現故�/錯誤（過�、高溫）�，必須同時關閉�6路PWM通道。安全功能還配備一個專用的緊急故障輸�。定時器的時鐘頻率（典型�>50MHz）和PWM載波頻率的三角波形才是確保正弦波形的高精度和的噪�-開關損耗比的兩個因�，而非鋸齒波形�
模擬信號采集是MCU的另一個主要負�，電機監(jiān)控必須控制兩類信號：緩慢變化的信號如DC總線電壓（含�100Hz波紋電壓成分）或電位器電�；高動態(tài)的頻率范圍幾赫茲到數百赫茲的電機電流，其中含有PWM速率（典型值高�10 kHz）的波紋電流。因此，模數轉換器的速度必須很快（低�5μs�，以便在對電機相位進行順序采樣時，減少對不平穩(wěn)電流的測�，節(jié)省為等候模數轉換結果而在PWM中斷服務程序上消耗的時間。在轉換器精度方��10位正在成為轉換器的標�。雖�8位轉換器對大多數應用已經夠用，但是電流范圍擴大的應用需�10位以上的模數轉換器，以便在各種負載條件下保證充足的分辨率。此�，控制精度與模數轉換器的質量有直接的關系�
，我們還必須處理轉速和/或位置傳感器。遞增編碼器位置傳感器需要專用的信號調節(jié)功能，作為一個具有加減計數功能的外部時鐘，來處理兩個正交信號輸�。處理這個功能的是一個含有專用編碼器模式的定時器�
我們在STR730單片機上成功地實現了一個帶傳感器的磁場定向控制（基于轉速生成器）算�，該單片機基于ARM7TDMI處理器，工作頻率32MHz，內嵌閃存。這個算法完全采用C語言開發(fā)，沒有進行任何刻意的代碼優(yōu)化。在實際算法�，完成整個控制回路用�55μs，在3kHz采樣速率下CPU負荷17�。當核心運行�60MHz�，預計執(zhí)行時間低�20μs。采用ARM7處理器實現的算法具有很多�(yōu)�。首�，ARM現已成為標準核心，其平臺方法和大量的開發(fā)工具是節(jié)省成本的關鍵所�；其�，假如下一代產品設計需要更高處理速度（MIPS�，你可以直接升級到基于ARM9的產�。從架構的角度看，桶形移位器很有�，它允許在整個處理流程中�(yōu)化變量分辨率。你可以在一個時鐘周期內改變格式以達到限制處理時間的目的，此�，它允許利用常數節(jié)省某些乘法運�，例如r0=(r1<<4) - r1相當于r0=15xr1，甚至速度更快。低成本的DSP�16位固點核�。當必須處理PI調整器的積分項或擴展所需的精度范圍時，ARM7�32位數據通道能夠避免多�16位負�。當進行電機控制信號處理�，DSP的其他重要功能沒有太大的用�，例�，硬件閉�(huán)和雙尋址模式。這些在某種程度上說明了人�?yōu)槭裁窗袮RM7處理器喻成如此優(yōu)化的架構�
�3所示是一個新的STR7產品，為ST的基于ARM7處理器的產品線開�(fā)，能夠滿足前文概述的系統需�。主要特性包括：
* SPTimer同步PWM定時器，�(zhí)行高端PWM信號生成功能，基�16位定時器，時間分辨率可降�16.6ns，實現的電壓重建�
* 能夠產生居中或邊緣對齊的PWM圖形�
* 逆變器故障處理所需的內部可編程死區(qū)時間信號生成器和緊急故障保護功��
* 為簡化軟件處理任務，采用多個中斷源、一個可編程重載速率和“禁止吸煙”保�，以防止軟件因為失控而修改系統重要外設的配置寄存器�
�3 新的STR7產品
這個SPTimer還可作為通用定時�，帶有兩個輸入捕獲引�、兩個輸出比較引�，以及可限度降低軟件開銷的編碼器專用模式。該模式具有x2或x4分辨�、方向自動管理，可以給所選編碼器的線數編�，因此可從計數寄存器直接讀取轉子角位信�。針對電流測量功能，新產品內置一個具有自動掃描功能的3μs 10位模數轉換器。主要外設接口包括多個定時器、通信接口�?？紤]到單片機處理的非電機控制性任�，我們在電路板上設計了智能外�，像連接端子、功率因數校�、耗能制動��
意法半導體集中全力開�(fā)電機控制市場，是世界僅有的幾家有能力提供完整的電機控制產品組合的供應商之一，產品范圍從快速二極管到處理器，包括高壓柵驅動器和開關。為滿足更加節(jié)能的“綠色� 電機和高性能驅動器的需求，我們打造了一個以ARM為核心的完整產品�，幫助設計人員揭開向量控制算法的神秘面紗。這種控制方法很快就會把今天的主流的DSP式控制淘汰出局。推廣應用一個新的控制方法：既然使用以ARM為核心的標準單片機就能滿足先進的電機控制需�，有誰還肯再花費時間在專有的架構上實現先進的電機控制��
有刷和無刷電機之間最顯著的區(qū)別是是否配置有常見的電刷-換向�(Brush-Commutator)。過去一個世紀以來，有刷直流電機的換向一直是通過石墨電刷與安裝在轉子上的�(huán)形換向器相接觸來實現��
而無刷電機則通過霍爾傳感�(Hallsensor)把轉子位置反饋回控制電路，使其能夠獲知電機相位換�(順序)的準確時�。大多數無刷電機生產商生產的電機都具有三個霍爾效應定位傳感器。由于無刷電機沒有電�，故也沒有相關接�，因此更干凈，聲學噪聲更�，事實上無需維護，壽命更��
那么，還有什么是有待更進一步的�?盡管電機�(yè)對無刷電機優(yōu)勢的認識日益加深，但迄今工作仍只限于開發(fā)上述的無刷電機霍爾傳感器控制電子元件�
目前對電機驅動盒和電機驅動卡開發(fā)的需求十分急迫，它們能為設計人員提供微控制�、可編程能力和驅動器，并把所有這些功能都集成在一個單一封裝�。不論是在數字還是模擬模式下，本質上是這種集成方式完成各種電機應用必需的換�。沒有這種集成，無刷電機就不起作用�
在選擇驅動器時，脈寬調制(PWM)IC正逐漸作為一種技術受到認�。驅動器的選擇僅取決于效�。線性電路的缺點在中端開始突�，此時輸出電平為50[%]左右。在這種輸出電平�，旁路元件的阻抗等于負載阻抗，這意味著放大器產生的熱量等于供給負載的功�!簡言�，當以中等功率等級驅動電阻式負載時，線性控制電路出�50[%]的效��
相對于有百年歷史的有刷電機而言，無刷電機更干凈、纖小和輕便，并正在�(wěn)步快速地向前�(fā)�。對于它們穩(wěn)定且不斷增加的受歡迎程度，僅以“是時候了”來概括顯然過于保守�
就在兩年�，無刷電機還遠比有刷電機昂貴。但受惠于設計技術和材料技術的進步，其價格急劇降低。如�，兩種電機技術之間的成本差異只有10[%]。而最顯著的轉變則是設計人員開始緊密結合工�(yè)應用進行工作。傳統上，這被認為屬于硬核式有刷電機的應用領域，因為“干凈”的工作�(huán)境并不是最重要的。但現在，由于成本門檻的降低，無刷電機不斷獲得新的應��
直流無刷電機廣泛應用于計算機外圍設備、數控機�、機器人、伺服系�、汽�、家電等領域。本文介紹的電機驅動電路就是某穩(wěn)定平臺的角度伺服控制回路的驅動部�。本文中設計的基于CPLD的電機驅動電�，充分利用cPLD的硬件可編程和實現邏輯運算方便的特點，用一片CPLD代替原有十幾片邏輯門和一部分模擬電路。采用VHDL語言編程實現相關邏輯。利用CPLD在線可編程的特點，可以很方便的對系統進行調試�
1 無刷直流電機的驅動原�
直流無刷電動機是由電動機本體、轉子位置傳感器和電子開關電路組成一個閉�(huán)系統。與一般的有刷電機不同，他的定子為電樞繞組，轉子采用永磁體。本文介紹的電動機采用了3相Y型聯結的全控電路，其基本構成如圖1所��
其電子開關電路為6個IGBT組成的三相逆變電路。直流無刷電機驅動電路的作用就是對來自電機轉子位置傳感器的位置信號、來自外部的PWM控制信號以及其他控制信號采樣并進行譯碼，使A，B，C三相繞組能按要求的順序導�，實現定子繞組的正確換相，從而使電機正常運行。在實際應用中還要對電機的過�、欠壓、過�、過熱保護等進行設計。并按要求進行光電隔離和基極驅動電路設��
2 系統總體方案設計
電動機驅動電路包�3個部�，即�
(1)CPLD核心控制電路�
(2)驅動及隔離電��
(3)IPM接口電路；其系統框圖如圖2所示�
3 硬件電路設計
3.1 CPLD控制電路
該部分是電動機驅動電路的核心部分見圖3，其信號采集、換相譯碼、死區(qū)�(fā)生器設計以及故障處理均由該部分完�。采集的信號有：電機控制器的PWM信號；正反轉控制信號；經過整形的電機的霍爾位置傳感器的位置信�；來自IPM模塊的電機的欠壓、過�、過流、過熱等故障檢測信號。這些信號輸入到CPLD后，通過CPLD的軟件實現換相譯�、編程死區(qū)和電機保護邏輯，輸出控制信號UP，VP，WP，UN，VN，WN到IPM的三相逆變電路。控制電機的三相電樞正確換相，從而使電機正常運行�
霍爾傳感器信號的整形電路如圖4所示：
采用4路精密電壓比較器LM339完成。對來自霍爾傳感器的信號進行整形，并對輸出到CPLD的信號加濾波電容濾波�
3.2 驅動隔離電路
驅動隔離電路包括光電隔離電路和基極驅動電��
光電隔離電路的作用是實現CPLD控制電路與IPM模塊之間的電氣隔�。隔離信號有2部分�
(1)CPLD輸出到IPM模塊的UP等控制信號；
(2)IPM反饋給CPLD的電機故障診斷信號F1，F2，F3，F4�
UP等信號的電氣隔離采用高速光電耦合芯片6N137，該芯片的延遲時間為75 ns。可實現3 000 VDC的高電壓隔離，適合于電氣控制場合。IPM反饋給CPLD信號的電氣隔離由光電耦合芯片4N25完成，如�5所��
基極驅動電路采用9014三極�，并使三極管工作在開關狀�(tài)。增加控制信號的驅動能力，并最終輸出控制電壓給IPM模塊的三相逆變電路。如�6所示：
3.3 IPM接口電路設計
IPM(智能功率模塊)將多個IGBT集成到一�，廣泛應用于無噪聲逆變器、低噪聲UPS和伺服控制器�。一般含有柵極驅�、短路保�、過壓、過流保護等。本文采用三菱電機生產的PM75CSA120的IPM模塊實現驅動電機所需的三相逆變電路。他內部集成6只IGBT，每2只對應電機的一�。其額定負載電流�75 A，額定控制電壓為1 200 V。另外還集成過流、過�、欠�、短路等故障檢測電路，其示意圖如�7所��
出現故障時，IPM會將檢測信號FO送到CPLD進行處理，采取相應的措施，提高系統的可靠��
IPM工作需要單獨的電源供電，與控制電路電源嚴格分開。其中上橋臂�3個IGBT各自需�1路電�，下橋臂�3個IGBT共用1個電源，這樣就需�4路電�。其電源模塊的電路如�8所示�
智能功率模塊將功率電子器件和驅動電路集成到一�，并且內藏有故障檢測電路，不僅體積小，而且可靠性高�
4 系統軟件設計
4.1 軟件構架設計
CPLD的軟件采用VHDL語言編程實現。軟件模塊間的程序并行執(zhí)�，沒有程序流程圖，只能用程序架構表示。CPLD的軟件主要有電機的換相譯�、死區(qū)�(fā)生器設計、故障處理和PWM與轉向控制等功能，其軟件構架如圖9所��
4.2 換相譯碼程序設計
換相譯碼器的作用是根據當前位置信號和PWM控制信號以及轉向控制信號Q，確定出UP，VP，WP，UN，VN，WN的相應�。需要實現的邏輯表達式為�
4.3 死區(qū)�(fā)生器設計
為防止三相逆變電路上下橋臂的IGBT產生“共�(tài)導通”的現象，導致短�。需要給IGBT的控制信號的上升沿設置死區(qū)，使其在一段延時之后才真正達到高電��
死區(qū)�(fā)生器設計采用飽和計數器的方式，類似于電容的充放電過程，需產生如圖10所示的時序。其�(guī)則為�
(1)當UP[_]IN輸入�0�，如果計數值T等于0，則計數值T保持不變，否則作�1計數�
(2)當UP[_]IN輸入�1時，如果計數值T等于max，則計數值T保持不變，否則做�1計數�
(3)當輸入為1且死區(qū)計數器數值T為MAX�，UP=1對應IGBT導��
(4)當死區(qū)計數器數值在0～MAX之間�，UP=0，對應IGBT關閉�
下面為死區(qū)時間為N個時鐘周期的VHDL程序，程序的運行結果如下�
4.4 IPM故障處理
在系統中故障檢測信號的處理是把信號引入到CPLD中，然后UP實現的邏輯后輸出，既保證IPM出現故障�，UP無輸出，又保證UP與UN的反邏輯�
5 � �
介紹一種采用CPLD做核心控制器的無刷直流電動機的驅動電路的設計。實現電機驅動所需的換相邏輯、電機運行故障處理以及可以靈活設置死區(qū)時間的死區(qū)�(fā)生器。該電機驅動電路可以用于高精度的伺服控制系統中�
維庫電子�，電子知�，一查百��
已收錄詞�162542�
