小功率低成本的無(wú)刷直流電動(dòng)機控制器研制
合肥工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化研究所 肖本賢
摘 要：針對電動(dòng)助力車(chē)與壓縮機電機的特點(diǎn)，對其驅動(dòng)控制進(jìn)行了研究，提出了一種高效低價(jià)的小型控制器的設計。主要介紹以專(zhuān)用控制芯片MCC33035、MC33039、IR2130為核心構成的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機控制器結構，主要涉及核心控制電路的構成、功率開(kāi)關(guān)元件的驅動(dòng)以及必要的保護措施。
1 引言
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機是近年隨著(zhù)電力電子器件及新型永磁材料發(fā)展而迅速成熟起來(lái)的一種新型機電一體化電機，既具有交流電機的結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便等優(yōu) 點(diǎn)，又具備直流電機那樣固有的優(yōu)越的起動(dòng)性能和調速特性，而無(wú)機械式換向機構，現以廣泛應用于各種調速驅動(dòng)場(chǎng)合，其應用前景看好，尤其從當今的環(huán)保、能 源、效率等綜合因素出發(fā)，水磁無(wú)刷直流電機可望在未來(lái)的電動(dòng)車(chē)及冰箱或空調類(lèi)永磁壓縮機領(lǐng)域占有主導地位。
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機控制器結構已有多種形式，有最初復雜的模擬式到近來(lái)以單片機為核心的數字式，但新型電機控制專(zhuān)用芯片的出現，給無(wú)刷直流電機調速裝置設計 帶來(lái)了極大的便利，這種集成模擬控制芯片控制功能強、保護功能完善、工作性能穩定，組成的系統所需外圍電路簡(jiǎn)單、抗干擾能力強、特別適用于對控制器體積、 價(jià)格性能比要求較高的場(chǎng)合。
2 無(wú)刷直流電機的驅動(dòng)控制電路
無(wú)刷直流電動(dòng)機功率開(kāi)關(guān)電路一般采用橋式或非橋式驅動(dòng)，由于三相星形橋式驅動(dòng)方式，其繞組利用率較高、力矩波動(dòng)小，因而被大量采納。圖1 是其工作原理圖，對壓縮機類(lèi)負載，其輸入可采用220V／50HZ市電輸入、二極管單相全橋整流、電容濾波后得到；而對電動(dòng)車(chē)其直流電源一般均為蓄電池。 圖中主回路功率器件選用POWER-MOSFET，驅動(dòng)電路采用IR公司生產(chǎn)的六輸出高壓MOS柵極驅動(dòng)器IR2130。
MC33035是MOTOROLA公司研制的第二代無(wú)刷直流電機控制專(zhuān)用集成電路，加上一片MC33039電子測速器將轉子位置信號進(jìn)行F／V轉換，形成轉速反饋信號，即可構成轉速閉環(huán)調節系統。MC33035包括—個(gè)轉子定位譯碼器可用于確定適當換向順序，它監控著(zhù)3 個(gè)霍爾效應開(kāi)關(guān)傳感器輸入 (4、5、6腳)，以保證頂部和底部驅動(dòng)輸出的正確順序；一個(gè)以向傳感器供電能力為基準的溫度補償器；一個(gè)可以程序控制頻率的鋸齒波發(fā)生器；一個(gè)全通誤差 放大器，能夠促進(jìn)閉環(huán)電機速度實(shí)現控制，若作為開(kāi)環(huán)速度控制，則可將這誤差放大器連成為單一增益電壓跟隨器；一個(gè)脈沖寬度調制比較器，3個(gè)集電極開(kāi)路頂部 驅動(dòng)輸出(1，2，24腳)，以及三個(gè)適用于驅動(dòng)功率MOSFET的理想的大電流推挽式底部驅動(dòng)輸出 (19，20，21腳)；MC33035還具有幾種保護特性，欠壓鎖定，由可選時(shí)間延遲限制的循環(huán)電流鎖定停車(chē)方式，內部過(guò)熱停車(chē)，以及一個(gè)很容易與微處 理器相連的故障輸出。這兩種集成芯片可以方便地完成無(wú)刷直流電動(dòng)機的正反轉、運轉起動(dòng)以及動(dòng)態(tài)制動(dòng)、過(guò)流保護、三相驅動(dòng)信號的產(chǎn)生、電動(dòng)機轉速的簡(jiǎn)易閉環(huán) 控制等。此外，MC33035還有一個(gè)60度／120度選擇管腳，它可以確定轉子定位譯碼器是60。或是120。傳感器電相位輸入。該控制器電路結構，如圖2所示。
圖2中，J1控制電機轉向，J2控制起停，月選擇速度開(kāi)環(huán)或閉環(huán)運行，J4控制電機制動(dòng)，J5選擇轉子位置檢測信號為60度或120度方式，J6控制系統的復位。電位器用以設定所需電機轉速，LED用作故障指示，當出現無(wú)效的傳感器輸入碼、過(guò)流、欠壓、芯片內部過(guò)熱、使能端為低電平時(shí)，LED發(fā)光報警，同時(shí)自動(dòng)封鎖系統，只有故障排除后，經(jīng)系統復位才能恢復正常工作。
該控制器工作過(guò)程為：從電機轉子位置檢測器PS送來(lái)的三相位置檢測信號(SA、SB、SC)一方面送入MC33035，經(jīng)芯片內部譯碼電路結合正反轉控制端、起?？刂贫?、制動(dòng)控制端、電流檢測端等控制邏輯信號狀態(tài)，經(jīng)過(guò)運算后，產(chǎn)生逆變器三相上、下橋臂開(kāi)關(guān)器件的六路原始控制信號，其中，三相下橋開(kāi)關(guān)信號 還要按無(wú)刷直流電機調速機理進(jìn)行脈寬調制處理。處理后的三相下橋PWM控制信號(AB、BB、CB)及三相上橋控制信號(AT、BT、CT)經(jīng)過(guò)驅動(dòng)放大 后，施加到逆變器的六個(gè)開(kāi)關(guān)管上，使其產(chǎn)生出供電機正常運行所需的三相方波交流電流。另一方面，轉子位置檢測信號還送入MC33039，經(jīng)F／V轉換，得 到一個(gè)頻率與電機轉速成正比的脈沖信號FOUT，其通過(guò)簡(jiǎn)單的阻容網(wǎng)絡(luò )濾波后形成轉速反饋信號，利用MC33035中的誤差放大器即可構成一個(gè)簡(jiǎn)單的P調節器，實(shí)現電機轉速的閉環(huán)控制。實(shí)際應用中，還可用外接各種PI、PID調節電路實(shí)現復雜的閉環(huán)調節控制。
3 IR2130驅動(dòng)電路分析
按MC33035 的原有設計，其輸出的下橋三路驅動(dòng)信號可直接驅動(dòng)N溝通功率MOSFET，上橋三路驅動(dòng)信號可直接驅動(dòng)P溝通功率MOSFET?，F考慮到逆變橋上橋臂也采用三個(gè)N溝通MOSFET，這樣，各相上橋臂的驅動(dòng)信號都將有各自不同的地位；另一考慮就是在需要較大驅動(dòng)信號及較大偏置電壓下直接使用，而 MC33035上橋臂僅具有50mA吸入電流及最小30V擊穿電壓能力，在較高電壓場(chǎng)合下，如AC220V經(jīng)單相橋整流的給定電壓就需轉換。
IR2130 是美國IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET和IGBT專(zhuān)用驅動(dòng)集成電路，驅動(dòng)信號延時(shí)為陽(yáng)級，開(kāi)關(guān)頻率在20kHz以上，其主要特點(diǎn)和性能為：集成度高，六路驅動(dòng)，所需外圍元件少；偏置電壓最大600V，驅動(dòng)電流200Ma/420mA，柵壓范圍10～20V，開(kāi)關(guān)時(shí)間120ns/94ns(典型值)，死區 時(shí)間2．5μs(典 型值)；具有過(guò)流關(guān)斷、欠壓封鎖功能；單電源工作，六路驅動(dòng)僅用一個(gè)+15V～20V直流電壓電源，IR2130內部應用自舉技術(shù)來(lái)實(shí)現同一集成電路可同時(shí)輸出兩個(gè)驅動(dòng)逆變橋中高壓側與低壓側的通道信號，它的內部為自學(xué)操作設計了懸浮電源；懸浮電源保證了IR2130直接可用于母線(xiàn)電壓為—4～+500V的系統中來(lái)驅動(dòng)功率MOSFET或IGBT，其中3個(gè)上半橋臂功率管驅動(dòng)利用自舉電容電壓供電，3個(gè)下半橋臂功率管與芯片共用一個(gè)電源。IR2130外部電路，如圖3所示。
圖中，C1、C2、C3為逆變器上橋臂產(chǎn)生隔離電源的自舉電容，其值的大小與功率開(kāi)關(guān)的柵極驅動(dòng)要求和功率開(kāi)關(guān)的最大“開(kāi)通”時(shí)間有關(guān)；R3—R6、RS為過(guò)流檢測電阻，只要改變R4的大小，就可調節電流保護值的大??；R10—R15為柵極電阻，R7—R9 為上三臂的柵源電阻；其中引腳2、3、4為驅動(dòng)逆變器中三個(gè)高壓側功率管的對應信號輸入端，引腳5、6、7為驅動(dòng)逆變器中三個(gè)低壓側功率管對應信號輸入 端，分別接至MC33035對應輸出端；而對應的六路驅動(dòng)器輸出端已連至相應高、低壓側的六個(gè)N溝道功率MOSFET；芯片中ITRP是過(guò)流保護的邏輯輸入信號，該信號取自功率主電路中的電流檢測器，它與一個(gè)0．5v的比較電平比較，再與欠壓等信號相或，可以阻止信號發(fā)生器產(chǎn)生六個(gè)輸出，同時(shí)送出一故障信 號FAULT給外部電路，該端提供一個(gè)過(guò)電流、直通或過(guò)電壓、欠電壓保護的指示信號，應用中，接指示用發(fā)光二極管或用戶(hù)系統封鎖端。
其工作原理為：從MC33035脈沖形成部分(或PWM波形發(fā)生器)來(lái)的三相六路輸出脈沖信號，經(jīng)內部三個(gè)輸入信號處理器，按真值表處理之后，變?yōu)榱份敵?脈沖，其對應的驅動(dòng)三路低壓側功率管信號，經(jīng)三路輸出驅動(dòng)器功率放大后，直接送往被驅動(dòng)MOSFET的柵源極。而另外三路高壓側驅動(dòng)信號H1、H2、H3 先經(jīng)片內三個(gè)脈沖處理和電平移位器中的自舉電路進(jìn)行電位轉換，變?yōu)槿冯娢粦腋〉尿寗?dòng)脈沖，再經(jīng)對應的三路輸出鎖存器鎖存，并經(jīng)嚴格的驅動(dòng)脈沖欠電壓與否 檢驗之后，送到輸出驅動(dòng)器進(jìn)行功率放大，最后才加到高壓側的MOSFET的柵源極。一旦外電路發(fā)生過(guò)電流或直通、IR2130的工作電源欠電壓、某路自舉 電源工作電壓不足、脈沖形成環(huán)節發(fā)生故障時(shí)，一則封鎖驅動(dòng)信號，另一方面，經(jīng)FAULT端輸出一故障信號。
附加上一個(gè)電路圖（不用IR2130)：
4 結束語(yǔ)
文中介紹的利用專(zhuān)用集成芯片構成的無(wú)刷直流電機控制系統，具有集成度高、速度快及完善的保護功能等特點(diǎn)。尤其是采用單一電源驅動(dòng)的具有六路輸出功能的IR2130 集成快，大大簡(jiǎn)化了驅動(dòng)電路結構，因而整個(gè)線(xiàn)路外圍元件少、走線(xiàn)簡(jiǎn)單，可大大減小逆變器體積，提高可靠性，必將成為新一代變頻器驅動(dòng)電路。該電路己成功地 用于無(wú)刷直流電動(dòng)機的控制裝置中，實(shí)踐證明：它是理想的無(wú)刷直流電機專(zhuān)用逆變調速器，具有成本低、結構簡(jiǎn)單、工作可靠的特點(diǎn)。
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