基于DSP的無刷直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計

1、 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 基于DSP的無刷直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計 學 院： 電氣信息工程學院 專 業(yè)： 控制工程 姓 名： 學 號： 2015年 8 月基于DSP的無刷直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計摘要：以TMS320F28335浮點型處理器為控制器，采用IR2136作為驅(qū)動芯片，詳細設(shè)計了三相無刷直流電機的驅(qū)動電路，其中包括電源模塊、信號隔離模塊、三相全橋驅(qū)動電路及過流、過壓保護電路等，并對電路中的關(guān)鍵參數(shù)進行了計算分析和選擇。Design of driver circuit for BLDCM based on DSPAbstract: A three-

2、phase full bridge driver for BLDCM based on the DSP was introduced ,using the IR2136 chip,including the signal isolation module,power supplying circuits,three-phase inverting circuits and current sampling and protecting module.The key parameters of the driver was calculated and selected.關(guān)鍵詞：三相無刷直流電機

3、；驅(qū)動電路；IR2136；DSPKey words: three-phase BLDCM; driver circuit;IR2136;DSP隨著電力電子技術(shù)和高性能永磁材料的發(fā)展，無刷直流電機的應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療、家電及自動化領(lǐng)域獲得了迅猛的發(fā)展。無刷電機驅(qū)動電路是數(shù)字控制電路和無刷直流電機聯(lián)系的紐帶，它采用功率電子開關(guān)和霍爾位置傳感器代替有刷電機中的電刷和換相器，接收來自數(shù)字電路的控制信號，將電流分配給無刷電機定子上的U、V、W三相繞組1。本設(shè)計將TMS320F28335作為控制器，具有較高的信號處理和控制功能，并且TMS320F28335具有浮點運算功能，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的智能控制算法，其

4、存儲容量大且支持存儲器擴展，同時還具有豐富的外設(shè)資源。同時采用IR公司的三相無刷直流電機的專用驅(qū)動功率芯片IR2136，利用MOSFET作為功率開關(guān)，設(shè)計三相全控橋式電路。DSP接收霍爾位置傳感器的信息，以此為換相依據(jù)，經(jīng)過處理后輸出6路PWM波，按一定的順序控制6個MOSFET的導通和關(guān)斷。本文詳細介紹了三相無刷直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計，對電路中的關(guān)鍵元件進行分析和選型，并且簡要介紹了軟件設(shè)計。1 驅(qū)動電路硬件設(shè)計1.1總體方案設(shè)計驅(qū)動電路原理框圖如圖1所示，主要包括信號調(diào)理與隔離部分、驅(qū)動部分、三相全橋逆變部分和電壓、電流檢測部分。圖1 三相無刷直流電機控制系統(tǒng)電路框圖1.2電源模塊本設(shè)計使

5、用的三相無刷直流電機的型號是57BL-52-230，額定電壓為24 V，額定功率為60 W。而IR2136的工作電壓為15 V，信號隔離采用光耦元件，其工作電壓為5 V，DSP控制板已集成3.3 V與1.9V穩(wěn)壓模塊，故只需5 V供電即可。采用MC34063作為降壓芯片，如圖2所示。系統(tǒng)的電源輸人為24 V，可以直接提供給電機，而通過一個MC34063結(jié)合相應(yīng)的外部匹配電路，即可將電壓降到15 V，提供IR2136使用。使用另一塊MC34063，修改匹配電路之后即可將15 V電壓降為5 V以供控制電路使用。圖2(a) 15V轉(zhuǎn)+5V電路圖2(b) 24V轉(zhuǎn)15V電路1.3信號隔離模塊電機的控制

6、信號由DSP產(chǎn)生，頻率較高，同時DSP的工作電壓為3.3 V，工作電流也比較低，屬于弱電信號，而IR2136所處的電路為強電部分，直接連接會使得主回路的強電信號干擾控制回路中弱電信號，同時為了提高整個控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，因此需要采用光耦元件將控制回路與主回路隔離開來。本設(shè)計中采用的高速光耦6N137，信號隔離電路如圖3所示。光耦的使用保證了控制信號的單向傳遞，而且高速光耦6N137的傳輸速度為10 Mbit/S，而PWM波的頻率為20 KHz，因此完全能夠傳輸PWM.同時6N137內(nèi)部就有邏輯增益輸出的能力，而且其工作電壓為5 V，使得輸出的PWM的信號抬高到5 V，也增加了負載能力和抗

7、干擾能力，完全符合IR2136的輸人端要求。圖3 信號隔離電路1.4 IR2136驅(qū)動模塊IR公司推出IR2136三相逆變器驅(qū)動器集成電路系列，適用于變速電機驅(qū)動器設(shè)計.新器件集成了6個MOSFET或IGBT高電壓柵驅(qū)動器，并融合多元化的保護功能。這些集成電路還有助于簡化電機驅(qū)動器設(shè)計，可將驅(qū)動電路的尺寸縮減一半。根據(jù)設(shè)計要求，自舉電容必須能夠提供功率管導通時所需要的柵極電荷、自舉電容的最小設(shè)計要求最小電荷要求為2：其中為功率管完全導通時所需要的柵極電荷，為懸浮電源絕對電壓，自舉二極管的正向壓降，為低壓側(cè)功率管的壓降。這里取234 nC ，=15 V ，=1.3 V ，=0.7 V，C=1.0

8、8 uF，結(jié)合實際選擇C=1 uF。 自舉二極管用于開關(guān)二極管的充放電過程。當高端IRFP260N管開啟時，自舉二極管必須承受著和IRFP260N漏極相同的電壓，所以二極管的反向承受電壓要大于母線電壓，充放電恢復(fù)時間極短，應(yīng)選用快恢復(fù)二極管以減少自舉電容向電源的回饋電荷。這里選用快恢復(fù)二極管FR 107作為自舉二極管。FR 107的反向恢復(fù)時間小于500 ns，反向工作峰值電壓1 000V，正向峰值壓降小于1.3 V，常溫反向電流小于5 uA，高溫反向峰值電流小于100 uA。采用IR2136驅(qū)動三相逆變橋的六個功率MOSFET的電路原理圖如圖5所示。IR2136內(nèi)置了400 ns的死區(qū)時間，

9、防止同一橋臂的上下兩個MOSFET管同時導通。圖4 IR2136驅(qū)動電路1.5三相全橋逆變模塊逆變電路的作用是將直流電轉(zhuǎn)換為能夠驅(qū)動三相無刷直流電機的三相交流電U，V和W。需在柵極串聯(lián)一個適當大小的電阻，其原因為：第一，柵極回路存在寄生電感，與柵源之間的寄生電容會在脈沖的激勵下產(chǎn)生很強的振蕩，串聯(lián)一個電阻能使振蕩迅速衰減。第二，電容與電感都是無功器件，如果沒有柵極電阻，MOS管的溫度會上升很多。第三，柵極電阻可以調(diào)節(jié)開關(guān)器件的通斷速度，使得開關(guān)器件減少損耗的同時又能較好的抑制干擾3。本設(shè)計中采用的MOSFET是IRF3205，額定電流為110 A。選擇柵極電阻為10 。三相全控橋式電路如圖5所

10、示5。圖5 三相全控橋式電路1.6電壓、流采樣與保護過流保護是為了使工作過程中電機出現(xiàn)過流時，關(guān)閉三相全橋逆變電路的MOS管，保護電機不至于燒壞4。圖4中的R501將母線電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，由于母線電流并不是很大，采樣電阻也較小，所以COM端的電壓信號較小，經(jīng)過濾波、放大和隔離電路后將電壓信號送到DSP的AD采樣口。將采集到的電壓信號與程序設(shè)定的值比較，當大于設(shè)定值時即當作過流，然后是6路PWM口均輸出低電平，使得MOS管全部關(guān)斷，電機停止工作，從而保護電機，電流采樣電路見圖6(a)。為了防止直流母線電壓欠壓，需采樣母線電壓，本設(shè)計使用HCPL7800光耦隔離差分放大電壓采樣信號，使用MC

11、P6022進行信號的二次放大，將信號送到DSP的AD采樣口，見圖6(b)。圖6(a) 電流采樣電路圖6(b) 母線電壓采樣電路1.7位置電路本設(shè)計采用的是帶位置傳感器的三相無刷直流電機，通過霍爾位置傳感器讀取相位信號，進行電子換相4。由于傳感器的輸出信號常常帶有一些干擾信號，所以在送人DSP的捕獲單元時需要將其進行整形，在這里選用的是施密特觸發(fā)反相器74LS14，而74LS14的工作電壓為5 V，DSP的IO口電壓為3.3 V，此處采用了最簡單的電阻分壓的方法，經(jīng)電阻分壓之后再將信號送人DSP的捕獲單元。如圖7所示。圖7 霍爾信號采集電路圖8 霍爾信號處理電路2軟件設(shè)計基于TMS320F283

12、35的三相無刷直流電機控制系統(tǒng)軟件基本流程圖如圖9所示，實際應(yīng)用中還需加上其他模塊6。圖9(a)為主程序流程圖，包括系統(tǒng)時鐘、I/0端口、看門狗、系統(tǒng)中斷等初始化以及變量初始化等。圖9 (b)、（c）為中斷子程序流程圖，電機啟動后，每當霍爾傳感器讀取的信號發(fā)生改變時都會進人捕捉中斷，調(diào)整PWM控制信號，從而確定MOSFET的導通順序。在定時中斷服務(wù)程序計算速度和速度PID控制，計算出對應(yīng)的占空比。速度控制采用PID算法，其具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等特點，在實際工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。 圖9 (a)主程序流程 圖9 (b)捕捉中斷子程序流程 圖9 (C)定時中斷子程序流程 3結(jié)論本

13、文設(shè)計完成了一個基于IR2136的無刷直流電機的功率驅(qū)動電路。該電路集成了輸入欠壓、防直通、過流等保護功能。另外，利用IR2136片內(nèi)自舉功能，實現(xiàn)了全橋驅(qū)動電路的單一電源供電，并根據(jù)計算分析對電路的關(guān)鍵參數(shù)進行選擇。參考文獻:1 曾建安,曾岳南.MOSFET和IGBT驅(qū)動器IR2136及其在電機控制中的作用J.電機技術(shù),2005 (1):13-15.2 International Rectifier.應(yīng)用指南AN-978高壓懸浮門驅(qū)動IC. International Rectifier, 2007.2 黃玉平.大功率機電伺服系統(tǒng)關(guān)鍵驅(qū)動技術(shù)研究J.微計算機信息,2010(2):184-185.3