一种无刷直流起动电机控制器设计

2018-09-19自伟

现代机械 2018年4期

，，自伟，

(贵州航天林泉电机有限公司，贵州贵阳550081)

0 引言

由于直流电动机具有良好的机械特性、较大的启动力矩、较宽的调速范围、不需要复杂的外围控制电路等优点，在各行业得到了广泛应用。在过去的直流电动机设计中，大多采用电刷和滑环组成的机械整流器进行机械换向，这种方式具有火花、换相噪声、寿命短、干扰无线电等诸多缺点[1-2]。随着功率半导体技术、电子技术、高性能铁磁材料制造技术的飞速发展，直流电机的无刷化应运而生，它不仅保留了直流电动机的优点，而且还具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便、体积小、效率高、功率密度大等一系列优点[5-6]。

本文以额定工作电压为28 V、9 s内实现额定负载转速大于8000 r/min、额定工作电流不大于300 A的无刷直流起动电机为应用背景，阐述了一种无刷直流电动机控制器设计。本文构建了基于数字控制芯片(dsPIC30F4012)的无刷直流电动机控制系统，并结合系统要求电机堵转的功能特点，提出了一种基于无刷直流电动机相电流截止负反馈设计方案，并完成相应的硬件电路、软件控制算法设计。

1 无刷直流电动机控制方案选择

图1 无刷直流电动机组成

本文介绍的无刷直流电动机用于燃气涡轮起动机，主要功能是输出一定的转矩和转速，将燃气涡轮起动机带动至点火转速，保证成功点火。电机本体与控制器采用一体化设计方案，见图1所示。

工程应用上，对无刷直流电机的运行特性作如下假设[3]：

a)电机的气隙磁感应强度沿气隙矩形分布；

b)绕组通电时，该电流所产生的电枢反应去磁对主磁极磁通影响忽略不计；

c)功率器件在开关状态下的管压降为恒值；

d)各相绕组对称，其对应的控制单元完全一致，相应电气时间常数忽略不计；

e)传感器及控制电路等功耗忽略不计；

经过上述假设后，定义如下：

(1)

(2)

主电路和功率管的换相方式确定后，其反电动势系数和转矩系数为常数。

由以上假设得出电机的电压平衡方程[3]：

V-ΔV=Ea+IR

(3)

经式(1)、式(2)、式(3)进行变换整理后得其机械特性方程[3]：

(4)

式中：n—电机转速，r/min；V—电源电压，V；ΔV—功率管压降，V；Ke—电动势系数；KT—转矩系数；Ta—电动转矩平均值，N·m；R—无刷直流电机内阻，Ω。

由上述可知，无刷直流电机的反电动势与电机的转速成正比，转矩与相电流成正比。

根据上述分析，转矩与相电流成正比，对无刷直流电机的转矩控制转换为对相电流控制。本文要求无刷直流起动电机具有保护的功能，因此选择对电机的相电流进行控制是较合理的方案，同时通过调节功率管的PWM占空比，实现负载下的平滑运行。

2 硬件设计

2.1 系统原理框图

图2为基于dsPIC30F4012的无刷直流起动电机控制器原理框图，采用dsPIC30F4012最小系统作为主控电路，处理采集到的霍尔信号、相电流、硬件中断信号，经软件计算后，输出相应的PWM信号，从而改变无刷直流起动电机驱动电路及功率管的导通顺序，实现对电机转动的控制。DC/DC电源变换模块将输入(Vi)28 V母线电压变换为5 V和15 V，将5 V作为控制信号电源、15 V作为三相驱动电路电源；电机的霍尔位置传感器与dsPIC30F4012的CN中断输入引脚相连接；电流传感器选用LEM公司的电流传感器，供电电压为5 V，电流测量范围为±500 A，输出电压范围0 V～5 V，经相电流检测/处理电路调整为0 V～5 V后与AN0、AN1引脚相连，同时将软件配置为模拟输入模式，使用dsPIC30F4012自带的A/D采样进行采样，将采样的相电流进行数字处理，实现软件过流保护；功率管选用日本三菱公司生产的集成功率模块，其额定电压150 V，额定电流300 A，其拓扑结构为典型的三相全桥电路[7]，采用高低端悬浮驱动方式，驱动电路选用IR2110高性能MOSFET驱动集成电路，IR2110驱动电路的SD引脚采用与相电流采样信号相关联的设计，当相电流超过设定值时，则会出现高电平的过流保护信号，将封锁驱动功率管的驱动信号，从而实现硬件过流保护。

图2 无刷直流起动电机控制器原理框图

dsPIC30F4012无刷直流电机控制电路具有以下特性[4]：1)采用CMOS制造技术，具有2.5 V～5 V的宽电压供电范围、低功耗；2)模拟、数字信号控制器特性；3)丰富的外设资源；4)电机控制PWM模块；5)编程环境和编程语言简单、灵活。

2.2 驱动电路

无刷直流起动电机控制器的驱动采用IR2110硬件电路，其桥臂驱动原理图如图3所示。IR2110的工作电压为10 V～20 V，有高端悬浮输出通道，经外围电路参数匹配后，可以驱动N沟道功率MOSFET，最高电压可达600 V。将SD引脚与硬件过流保护信号相连接；当出现相电流过流时，产生高电平输入至SD引脚，IR2110的SD引脚出现高电平时即可对输出的驱动信号进行封锁，达到硬件过流保护的目的。

图3 IR2010S自举驱动的驱动原理图

2.3 相电流检测/保护电路

无刷直流电动机控制系统中，保护电路起到了不可或缺的部分，其作用是保护控制系统核心部件免受高压、大电流冲击而损坏，整个系统的保护设计主要由电源隔离电路、相电流检测/保护电路两部分组成。

电源隔离电路是将电机功率电压与控制电压隔离开，分成三套供电系统：28 V供电系统、5 V控制系统、15 V驱动系统。三路供电系统相互协调工作，不会因某一部分的故障导致其余电路，从而实现控制电路的保护作用。

相电流检测/保护电路是通过电流传感器将电机绕组的相电流进行采样，将电流信号转换为0 V～5 V的电压信号，通过对电压信号的控制实现对相电流的控制，本文的相电流检测/保护电路简化框图如图4所示。

图4 相电流检测/保护电路原理图

电流传感器将U、W的相绕组的电流转换为电压信号(图4中的电气网络标识为IU、IW)，经电压跟随、硬件滤波、硬件比较后，输出过流保护信号SD；电动机在运行时，绕组上的电流方向存在正向和负向，所以在设置硬件保护电流时应设置正向(标识为“Ref+”)、负向(标识为“Ref-”)电流阈值。当相电流超过正向电流设定值Ref+或超过负向电流设定值Ref-，将产生高电平的SD信号，进而封锁IR2010S驱动电路的驱动信号，同时将SD信号送至dsPIC30F4012的外部中断INT1引脚，作为软件过流中断输入信号，通过硬件、软件双重方式实现无刷直流起动电机的相电流检测和保护。

3 软件设计

3.1 软件开发简介

程序开发采用MPLAB®IDE集成开发环境，支持汇编语言、C语言或者混合编程语言的源文件编辑，程序编译、下载时间短，支持产品在线调试。所用的编译器为MPLAB C30编译器，是一个全功能优化的编译器，可将标准的C语言程序编译为dsPIC30F4012可执行的汇编语言代码，同时还支持其他命令进行选项和语言扩展，将其硬件资源进行访问，以便于更好地生产程序代码[4]。

3.2 电机换相软件设计

如图2所示，本文提及的电子换向线路采用三相桥式接法，换流制式为二相导通的三相六状态，换相过程如下，令转子磁极轴线与定子A相绕组的轴线的夹角为θ电角度：

当θ=30°时，Q1、Q6导通，即Vin+→Q1→U→V→Q6→Vin-；

当θ=90°时，Q1、Q2导通，即Vin+→Q1→U→W→Q2→Vin-；

当θ=150°时，Q3、Q2导通，即Vin+→Q3→V→W→Q2→Vin-；

当θ=210°时，Q3、Q4导通，即Vin+→Q3→V→U→Q4→Vin-；

当θ=270°时，Q5、Q4导通，即Vin+→Q5→W→U→Q4→Vin-；

当θ=330°时，Q5、Q6导通，即Vin+→Q5→W→U→Q6→Vin-；

当θ=390°时，重复θ=30°时的状态。

电枢绕组的导通顺序与功率开关管的导通顺序之间的关系可用表1来表示，其中一个周期内每个功率开关管的导通角为120°电角度，一个磁状态所持续的电角度为60°。

根据上述导通方式，并结合霍尔位置传感器的输入信号，对本文所设计的换相设计为数组StateLo

表1二相导通星形三相六状态导通顺序表

TableClk[]={ 0x0000，0x2100，0x0600，0x2400，0x1800，0x0900，0x1200，0x0000}，其中状态0和状态7为无效状态。

3.3 程序执行流程

相关程序流程图如图5所示，在程序执行流程中，首先对I/O、CN、ADC等相关参数进行初始化，初始化完成后，对电流传感器参数进行校正，降低硬件电路参数误差对电机相电流采样的误差；电机运行过程中，实时计算电机的转速，将电机的转速与相电流保护进行关联设计，在本文进行了参数及对应关系的设计。使用dsPIC30F4012的定时器功能对运行时间进行计时，保证产品上电运行9 s后自动关闭PWM信号，待系统断电后重新起动运行，即可重新上述运行状态。