直流无刷电机驱动电路设计

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【摘要】本文分析了直流无刷电机的特点和工作原理，提出了一种电子开关电路的设计，通过智能功率模块实现信号处理电路，通过基于CPLD的数字逻辑电路，实现直流无刷电机驱动电路的设计方案。并对组成驱动电路的各个电路模块进行了分析和设计。

【关键词】直流无刷电机驱动电路电子开关CPLD

引言

电动机做为电能和机械能的转换装置，在生产和生活中得到广泛的应用。直流电机具有启动转矩大，响应速度快，可以以额定转矩启动等优点，但传统的直流电机均采用电刷机械换向，由于机械摩擦带来了噪声、火花、无线电干扰等致命弱点。针对直流电机的上述弊端，人们研制出了以电子换向代替机械换向的直流无刷电机。此外，随着半导体技术的发展，可以将电机控制所必须的功能做在芯片里面，而且体积越来越小，使得应用很方便。由于直流无刷电机具备了传统直流电机的优点，同时克服了传统直流电机的一些致命缺陷。目前，各种类型的直流无刷电机在国民经济的各领域，例如在家电、机械、汽车工业、精密机床工业和军事工业等制造领域得到了广泛的应用，并处于大力发展阶段。

一、直流无刷电机的结构

直流无刷电机和普通直流电机的工作原理和工作特性是相同的，其结构的不同之处在于换向部分，普通直流电机是采用机械的方式换向，而直流无刷电机有专门的换向电路，采用电子方式换向。现在常见的直流无刷电机的机械结构为：定子由转枢绕组构成，转子是能够提供磁场的永磁体。和其他直流类电机一样，直流无刷电机之所以能够转动，是由于直流无刷电机可以在不同的磁极方向下改变电枢的电流方向，从而使转子的电磁转矩保持一个方向，以实现持续转动。为了使电枢电流随着转子的位置改变，必须有相应的换流装置。直流无刷电机的换流装置主要由用于检测转子和定子之间相对位置的传感器和相应的控制电路构成。为了检测转子和定子的相对位置，位置传感器必须由两部分构成，一部分安装在转子上，一部分安装在定子上。常见的位置传感器有电磁式、光电式、和磁敏式三种，在直流无刷电机中使用的是根据霍尔效应工作的霍尔传感器，属于磁敏式位置传感器。霍尔传感器又可分为线性霍尔传感器和开关霍尔传感器两种，开关霍尔传感器抗干扰能力强，并且适合数字控制，所以直流无刷电机的位置传感器选择开关霍尔传感器是很合适的。霍尔传感器常见的安装方法有60度电角安装和120度电角安装两种。

二、直流无刷电机的工作原理

直流无刷电机的驱动系统是由电机本体、位置传感器、逆变电路组成的闭环系统。直流无刷电机工作的原理：当定子绕组的某一项导通时，通过该绕组的电流和转子永磁体所产生的磁场相互作用从而使转子产生转矩，驱动转子转动。在转动过程中，位置传感器检测转子位置并转换成电信号，通过电信号控制逆变电路中的电子开关，使定子的各项绕组按照一定规律依次导通，从而实现定子绕组电流随转子位置变化并换相，电子开关电路随转子转角同步导通，从而实现与机械换相器等效的作用。为了改变速度，必须用一个比电机频率大概高十倍的PWM波对原始的PWM进行调制，用脉宽调制PWM的占空比去控制电机的速度。为了方便控制，专门引入一个方向控制信号DIR信号。

三、直流无刷电机驱动电路的设计方案

根据以上论述，要驱动并控制一台直流无刷电机工作，至少需要电子开关电路和传感器信号处理电路，在该论文中，电子开关电路通过智能功率模块实现，信号处理电路通过基于CPLD的数字逻辑电路来实现。为了使系统稳定可靠，在信号处理电路和智能功率模块之间加上光电隔离电路，同时为了使主控制器方便地控制电机驱动模块，加入了主控制器与电机驱动模块之间的接口信号PWM信号和DIR信号，主控制器通过PWM信号的占空比调节电机速度，通过DIR信号控制电机方向。

四、直流无刷电机驱动电路各个模块设计

4.1智能功率模块接口设计

为了保证逆变桥电路的可靠性，论文使用IPM(智能功率模块)模块代替电子开关电路。它将IGBT和具有自我保护和诊断功能、信号处理功能的电路集成在与一体构成模块化的芯片。IPM模块可以实现直流无刷电机的逆变电路、驱动电路和许多其他控制电路的功能，使得电机控制器具有体积小、重量轻、设计简单和可靠性高等显著优点，是驱动高性能直流无刷电机的理想器件。在设计中使用日本三菱电动机公司的PM75CSA120智能功率模块，它内部集成了6只IGBT,其额定负载电流为75A,额定控制电压为1200V。另外还集成有过流检测、过热检测、欠压检测、短路检测等故障检测电路。从图中可以看出几个故障信号是逻辑或的关系，所以只要其中的一个信号有效，IPM即会关断，并输出一个故障信号FO。FO输入CPLD进行处理，提高系统的可靠性。

4.2隔离电路设计

在设计中用光耦实现CPLD控制电路和智能功率模块之间的电气隔离，原因是光耦体积小，便于连接和使用。隔离电路包括六路控制信号的隔离和智能功率模块反馈给CPLD的故障信号隔离。根据IPM对接口电路的要求,PWM信号输入要用高速光耦器件,保护信号输出可采用低速、高电流传输比的光耦。高速光耦要求脉冲的上升和下降时间(tPLH,tPHL)<0.8us;共模抑制(CMR)>1000V/us。论文中高速光耦采用6N137，低速光耦采用4N25。

五、结束语

该直流无刷电机驱动电路解决了直流电机均采用电刷机械换向单一性问题，克服了由于机械摩擦带来了噪声、火花、无线电干扰等问题。区别于传统机械控制换向方式，利用位置传感器的检测电信号，控制逆变电路中的电子开关，使得电子开关电路随转子转角同步导通。经测试，电机运转平稳，无失调及振动现象，驱动器功率单元无发热现象。在进行过热保护测试时，当电机温度达到130°C时，驱动器过热保护模块能顺利对电机进行保护，达到预期设计目标。因此可以广泛推广。

作者：李志杰 金佛荣 郭玉霞 单位：甘肃工业职业技术学院