直流电机的设计与优化

金沁

摘要：无刷直流电机（BLDCM）因为可靠性高，维护便利、噪音小等优点，遍及于大功率开关器件的应用之中，并与专用集成电路、新型控制理论及电机理论的成长紧密连系，体现着当今科学的许多最新成效，因此具有广泛的应用前景和强大的生命力。电机的驱动电路部分与数字控制部分相比较，为伺服控制系统中的重要组成部分，驱动电路是主控芯片与直流无刷电机联结的纽带。因而，电机驱动电路的性能将直接影响到该系统的整体性能和可靠性。本文就对直流电机的设计与优化进行分析和探讨。

关键词：直流电机;设计;优化

1直流无刷电机结构

直流无刷电机结构示意图如图1 所示，电机转子由永磁体和铁心组成，有内嵌式和凸极式两种结构，定子由钢片和电枢绕组组成，通过位置传感器检测电机转子和定子相对位置。位置传感器有光电式、电磁式和霍尔式三种。其中，霍尔式位置传感器因其性能可靠、结构简单、成本较低等优点，故应用最广泛。通过直流无刷电机进行高性能控制系统设计，常用三相全桥驱动，以星形连接电机为例，原理图如图2 所示。采用两两导通模式，即三相六状态120° 导通模式，金属氧化物半导体场效应晶体管（ MOSFET，以下简称开关管） 导通顺序为： V1、V2， V2、V3，V3、V4，V4、V5，V5、V6，V6、V1。每只开关管导通电角度120°，每个时刻有两只开关管导通，每60° 电角度开关管换相一次，使定子电枢产生旋转磁场，推动转子转动。直流无刷电机正反转时，开关管的导通顺序相反。

2直流无刷电机控制技术

关于直流无刷电机控制技术的发展，以当前在工业生产领域的应用情况来看，基本上集中体现在对转速的控制层面上，简单一点讲，就是指直流无刷电机在工作运行的全过程，核心环节还是在于检测控制系统中电机的转速，强化对功率管的控制，主要是为了保护电机电路，比如过流保护、过压保护等。在现实工业实践应用中，直流无刷电机控制技术可以归纳总结为两方面内容：①控制器转变应用技术。直流无刷电机控制器，在早期发展阶段，其基本形式构造主要还是表现为模拟控制器。进入到21 世纪以来，尤其是最近几年，随着数字化电机控制器设备及相关技术的开发与应用，在工业生产领域电机模拟和控制系统操作方面，也变得更加的简单，并且这种技术设备本身就非常实用，物美价廉。但是受到技术层面、经济投入的限制，模拟化电机控制系统也有许多不足之处，最主要的一点就是抗干扰能力较差，几乎不可重复利用。随着计算机软件技术的蓬勃发展，在新一轮的技术研发方向上，直流无刷电机也逐渐由现代化的软件程序代替传统的硬件结构，其中，控制系统所运用的理论就是现代控制理论。②处理器转变应用技术。当前，在我国国内电机控制处理器及其技术研究领域，用于电机控制的处理一般包括以下三种技术形式，分别包括有微处理器、专用集成电路、现代数字信号处理器等。其中，微处理器在实践应用中，对于直流无刷电机在控制方面，无论是控制精度还是控制速度，都已经无法满足当前工业生产与家用电器中人们的实际需求;而专用集成电路主要适用于那些对控制性能标准要求不高的电机，这种控制方法下设计出来的电路总体上相对简单，也比较实用。基于上述关于现阶段我国国内直流无刷电机控制技术的发展现状的阐述， 重点提出大家普遍使用的现代DSP 来进一步解决工业生产及生活中人们对电机控制性能的技术要求。

3驱动系统控制电路设计

无刷直流电动机驱动系统，REPMM 为电动机本体，HA，HB，HC 为转子位置传感器检测产生的霍尔信号， 电机驱动系统通过对转子位置传感器检测的信号（HA、HB、HC）进行逻辑变换，即传送到电路里的为数字信号，从而产生脉宽调制信号PWM，经过放大处理后传送至逆变器的功率开关，从而控制电机按一定顺序正常进行工作。

3.1 基于FAN73892 的驱动电路设计

FAN73892 是单片三相半桥栅极驱动器，设计用于高压、高速驱动MOSFET 的工作频率高达600 V。同时也是中小容量的功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）功率器件专用栅极驱动芯片，通过自举电路工作原理，缩减MOSFET 的开关时间，有助于尽量降低开关损耗，改善功率密度，提升整体转换效率。它可以驱动桥式电路的低压侧的功率器件，可以驱动高侧电源组件， 因此它被广泛应用于电机控制、伺服驱动、UPS 电源等。无刷直流电机采用三相桥式逆变电路，正常情况下需要四组独立电源， 这使驱动电路变得较为复杂，导致逆变器的可靠性降低，采用国外一家公司生产的专用芯片FAN73892，這款芯片只需一个供电电源便可驱动三相桥式逆变电路的6 个功率开关器件，使得驱动电路变得简单可靠。

3.2 MOSFET 保护电路设计

对于现在传统的三相直流无刷电机， 一般采用三相六状态，120 度导通方式，其换相电路开关器件采用MOSFET 器件， 开关器件动作的实现需要独立的驱动电路，且供电电源相互隔离。6 只MOSFET 功率管作为开关器件使用，构成三相桥式结构。若是将他们根据一定的组合方法和频率进行开关，则能对三相无刷直流电机进行驱动。

功率MOSFET 系统采用三相六状态的控制方法， 由于每周的运动需经历六次换相， 每一相都有一个上桥臂和一个下桥臂为导通状态，但每一对上下管不能同时导通，否则相当于电源短路。这六相分别为：Q1+Q6，Q3+Q6，Q3+Q2，Q5+Q2，Q5+Q4，Q1+Q4。在每一个阶段，根据不同的功率MOSFET 的导通， 电流在电机中不同的方向流经不同的线圈，不断的产生旋转磁势，从而推动电机的转子转动。

由于MOSFET 管承受短时过载能力比较小，特别在高频的应用场合， 必须对功率MOSFET 管设计合理的保护电路，以便提高器件的可靠性。对功率MOSFET 驱动保护电路设计时，首先，采用MOS 驱动器的输出与MOS 管之间串联电阻的方法，避免在功率管在导通和快速关闭时， 由于漏极电压的震荡频率造成的di/dt 过高而误导通的现象。R4～R9是MOSFET 的门极驱动电阻。其次，MOS管栅极可以采用并联电阻的方式来释放栅极电荷，防止栅源极之间过电压。为了防止漏源极之间过电压，通常采用C 缓冲电路等保护措施。设计MOSFET保护电路，I_SEN 信号为MOSFET 上获取的电流信号， 当电流过大或者发生短路时，I_SEN会迅速增加并超过额定值，造成MOSFET 器件烧毁。因此增加了MOSFET 的电路保护电路，经过U5（放大器），转换为电压保护电路。

4直流无刷电机控制系统的软件设计

在电机控制系统软件设计层面，重点围绕着控制系统的程序设计来进行。在程序设计上，所涉及到的重要部分包括有直流无刷电机控制系统主程序设计、电机控制系统内部SVPWM 程序设计、电机控制系统内部中断程序设计等，在上述程序设计环节，电机控制系统功能的发挥主要得益于中断程序子系统的设计与实现。关于直流无刷电机控制系统的软件设计主程序流程，具体呈现为“开始———DSP 及各模块初始化———DSP 自检———转子磁极位置采样———转子转速计算———定 子 电 流 采 样———电 流 滤 波———Clarke 变 换———Park 变换———电流调节———Park 逆变换———Svpwm 控制”。

结语

随着半导体工业的快速发展，直流无刷电机应运而生。直流无刷电机具有效率高、大扭矩、结构简单、可靠性高等优点，被广泛应用于航空航天、机器人、数控机床、汽车电子和家用电器等领域。与直流有刷电机相比，直流无刷电机没有“电刷”结构，传感器检测电机转子位置，通过电子换向器替代机械换向器实现电枢换相，因此直流无刷电机驱动设计较直流有刷电机复杂。为方便进行电机控制信号采集，并减小体积，可将电机驱动电路集成于直流无刷电机本体。分析直流无刷电机常用速度、扭矩和位置伺服系统的结构和原理，使用串级PID 控制方法指导伺服系统设计。

参考文献

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