一體化直驅(qū)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

作為工業(yè)生產(chǎn)線基礎(chǔ)的傳動(dòng)設(shè)備，一般都采用“交流電動(dòng)機(jī)+機(jī)械減速機(jī)構(gòu)”的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)單適用且價(jià)格低廉。但是今天，由機(jī)械減速機(jī)構(gòu)帶來(lái)的不利影響，如齒輪箱等的油污泄漏、機(jī)械磨損及日常維護(hù)等，正在引起人們的關(guān)注，特別是在食品、衛(wèi)生、制藥等行業(yè)。一種采用低轉(zhuǎn)速、大力矩?zé)o刷直流電機(jī)的直驅(qū)電機(jī)，取代了機(jī)械減速機(jī)構(gòu)，將電機(jī)與傳動(dòng)目標(biāo)直接耦合，在系統(tǒng)性能和成本上具有更多的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

與交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，作為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的直驅(qū)電機(jī)由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)，需要特別的驅(qū)動(dòng)器才能運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)器的電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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F1： 直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電氣結(jié)構(gòu)

輔助電源將交流電源轉(zhuǎn)化為+5/15V直流電源，提供給系統(tǒng)及智能功率模塊使用；用戶(hù)接口提供了一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與操作者的溝通渠道，操作者通過(guò)它來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行速度和方向，同時(shí)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)也通過(guò)它傳遞給操作者；霍爾傳感器作為位置傳感器，將無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的物理位置信息提供給控制核心；控制核心通過(guò)智能功率模塊（IPM）將電力以合適的方式傳遞給電機(jī)，控制電機(jī)的運(yùn)行方向和速度；系統(tǒng)同時(shí)也檢測(cè)輸入電壓、電機(jī)的負(fù)載電流和驅(qū)動(dòng)器的工作溫度，獲得電機(jī)的工作環(huán)境和工作狀態(tài)，這些將參與電動(dòng)機(jī)的控制并且在必要時(shí)將系統(tǒng)切換到保護(hù)狀態(tài)，使系統(tǒng)有更高的可靠性。驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)將滿(mǎn)足如下目標(biāo)：

1）小型化 由于一體化直驅(qū)電機(jī)的產(chǎn)品目標(biāo)是將電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器合為一體，驅(qū)動(dòng)器的體積和散熱是首要的考慮焦點(diǎn)；

2）可靠性 一體化的直驅(qū)電機(jī)將面對(duì)嚴(yán)酷的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的挑戰(zhàn)，產(chǎn)品可靠性在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該給予充分的重視；

3）人性化 一體化直驅(qū)電機(jī)的操作者主要是工廠現(xiàn)場(chǎng)的工人，因此它的用戶(hù)接口設(shè)計(jì)將更多地考慮人性化和簡(jiǎn)單化。

硬件設(shè)計(jì)

控制核心 采用Atmel公司的ATmega88 MCU與Lattice公司的M4A5 CPLD。

1） Mega88內(nèi)置高精度8MHZ RC振蕩器，在-40℃～80℃溫度范圍，其變化在±2.5%內(nèi)。RC振蕩器以其非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的目標(biāo)應(yīng)用提供了適用、廉價(jià)、高可靠性的時(shí)鐘源；

2） 512B的EEPROM為許多用戶(hù)參數(shù)的設(shè)置提供了保存的空間，電機(jī)表現(xiàn)為具有記憶功能。就速度設(shè)置而言，省略了通過(guò)電位器來(lái)進(jìn)行設(shè)置和記憶的方式，而采用較簡(jiǎn)單的按鍵開(kāi)關(guān)；

3） 六通道PWM方便了電機(jī)速度控制的調(diào)節(jié)，特別是它的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1，具有雙緩沖的輸出比較寄存器，驅(qū)動(dòng)器用它來(lái)產(chǎn)生無(wú)干擾脈沖、相位正確的可變頻率的PWM。直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用120°驅(qū)動(dòng)方式，不需要PWM的互補(bǔ)輸出結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)用CPLD構(gòu)建六路PWM輸出信號(hào)互鎖，用硬件方式保證IPM的同一橋臂不會(huì)直接導(dǎo)通；MCU根據(jù)霍爾傳感器提供的轉(zhuǎn)子位置信息將PWM信號(hào)進(jìn)行切換和分配，驅(qū)動(dòng)IPM；

4） 8路10位ADC方便了對(duì)電機(jī)的工作電壓、負(fù)載電流和工作溫度的數(shù)據(jù)采集，MCU內(nèi)置的1.1V能隙電壓基準(zhǔn)的使用，使驅(qū)動(dòng)器在嚴(yán)酷工作環(huán)境運(yùn)行的同時(shí)，還能隨時(shí)修正ADC結(jié)果，保證較高的系統(tǒng)精度；

5） 用CPLD來(lái)構(gòu)建控制系統(tǒng)所需要的邏輯電路，除了對(duì)IPM的PWN驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行切換、分配和互鎖外，還將IPM的過(guò)流保護(hù)信號(hào)進(jìn)行鎖存，以單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)的方式封鎖IPM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將過(guò)流信息傳遞給MCU，使系統(tǒng)安全進(jìn)入故障保護(hù)狀態(tài)；在系統(tǒng)上電過(guò)程中，系統(tǒng)的直流母線處于軟啟動(dòng)階段，以保證較大的電源濾波電解電容在充電過(guò)程中不會(huì)對(duì)前端的整流器件造成損壞，在這一階段，CPLD將禁止IPM的輸出以免過(guò)大的電機(jī)工作電流損壞軟啟動(dòng)電路；而CPLD的在線編程（ISP）特性，也使得系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)部署時(shí)更為靈活。

輔助電源 采用PI公司TinySwitch-Ⅲ系列TNY275構(gòu)成的反激式開(kāi)關(guān)電源，將由AC220V輸入得到DC310V直流電變換為15V直流電，主要供給IPM和軟啟動(dòng)電路中的繼電器。15V再經(jīng)過(guò)MC34063DC/DC降壓變換為5V，供控制系統(tǒng)使用。輔助電源的獲得都是通過(guò)開(kāi)關(guān)變換的方式進(jìn)行，在提高電源效率、降低熱損耗的同時(shí)，也有效地減少了驅(qū)動(dòng)器的體積。

IPM接口 同樣是出于小型化和可靠性的需求，設(shè)計(jì)中選用Sanken公司450V/15A的IPM SMM1003。（1）IPM采用高電平驅(qū)動(dòng)接口，內(nèi)置了下拉電阻，以保證系統(tǒng)在上電/掉電等不確定狀態(tài)下的可靠性；由CPLD輸出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)R23～R28（100Ω）和C17～C22（470Pf）組成的濾波器濾波后驅(qū)動(dòng)IPM，可以提高電力電子部分的抗擾性。由濾波器帶來(lái)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)間延遲為0.05us左右，相對(duì)于4～8KHZ的電力載頻、125～250us的載波周期而言，是可以忽略不計(jì)的；（2） IPM內(nèi)置的分流電阻作為電流傳感器用來(lái)檢測(cè)流過(guò)IPM的電流，這一電流信息與電動(dòng)機(jī)的工作電流有對(duì)應(yīng)關(guān)系，被放大后提供給控制核心，用來(lái)控制系統(tǒng)的輸出功率級(jí)別，同時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載大小，判斷電機(jī)的工作狀態(tài)。當(dāng)電流值大于保護(hù)極限時(shí)，IPM將被觸發(fā)進(jìn)入過(guò)流保護(hù)狀態(tài)，關(guān)斷所有IGBT。

用戶(hù)接口 驅(qū)動(dòng)器的用戶(hù)接口分為近端接口和遠(yuǎn)端接口。速度調(diào)節(jié)按鍵K2和工作狀態(tài)顯示LED為近端接口，位于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器上，相對(duì)而言，它們的工作環(huán)境要好一些，直接使用電平驅(qū)動(dòng)方式；而電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和啟動(dòng)/停止控制可能需要頻繁地操作，有可能需要在離電機(jī)較遠(yuǎn)而離操作者較近的控制臺(tái)加以控制，屬于遠(yuǎn)端控制，這些控制信號(hào)將面臨更多的現(xiàn)場(chǎng)干擾，選用電流驅(qū)動(dòng)方式可以有效地提高信號(hào)的可靠性。微控制器的PD0端口上4.7kΩ的上拉電阻使PC817光耦的輸出三極管飽和電流值被設(shè)定在1mA左右。當(dāng)遠(yuǎn)端開(kāi)關(guān)K1閉合時(shí)，在開(kāi)關(guān)回路中需要流過(guò)大于0.5mA的電流（與光耦的電流傳輸比CTR有關(guān)），PD0端口才會(huì)被拉低，而這種級(jí)別的無(wú)線耦合干擾即使在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)也是很少的，上拉電阻越小，上拉強(qiáng)度越強(qiáng)，相當(dāng)于遠(yuǎn)端輸入回路的輸入阻抗越小，這種遠(yuǎn)端接口的抗干擾能力也就越強(qiáng)。

系統(tǒng)保護(hù) 系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓/欠電壓保護(hù)。由于電機(jī)是感性負(fù)載，IPM的開(kāi)關(guān)動(dòng)作將引發(fā)由電感負(fù)載引起的較高開(kāi)關(guān)關(guān)斷毛刺電壓。而在電網(wǎng)過(guò)電壓時(shí)，這種毛刺電壓加上直流母線電壓可能會(huì)非常高，以至于對(duì)IPM造成損壞；欠電壓有可能會(huì)使15V輔助電源不穩(wěn)定，影響IPM的正常工作。因此，在過(guò)電壓/欠電壓時(shí)退出工作狀態(tài)是必要的。

無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體結(jié)構(gòu)，在過(guò)大的外加磁場(chǎng)作用下有可能會(huì)被退磁而損壞，必要的極限電流限制可以有效規(guī)避這一風(fēng)險(xiǎn)。控制器通過(guò)密切監(jiān)視系統(tǒng)電流，及時(shí)地調(diào)節(jié)PWM的占空比，使電機(jī)工作在安全的工作范圍。

由于應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，當(dāng)使用環(huán)境溫度較高或電機(jī)工作環(huán)境通風(fēng)散熱不暢時(shí)，較高的工作溫度對(duì)驅(qū)動(dòng)器的電子元器件特別是自身也產(chǎn)生較多熱量的IPM極為不利，檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器的工作溫度是必需的。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到高于80℃的散熱器溫度時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)切換到過(guò)熱保護(hù)模。

軟件設(shè)計(jì)

智能PI速度控制 一體化直驅(qū)電機(jī)通過(guò)霍爾傳感器獲得定子驅(qū)動(dòng)的換相信號(hào)，對(duì)換相信號(hào)的時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量和數(shù)字濾波，可以得到電機(jī)的平均速度。與直流有刷電動(dòng)機(jī)一樣，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子的平均電壓就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度。

直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)范圍被設(shè)計(jì)為每分鐘10～200轉(zhuǎn)，在傳動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用中，對(duì)動(dòng)態(tài)特性的要求并不高，速度的控制采用了PI控制算法。為了更好地對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行控制，系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)用不同控制算法。

1）積分調(diào)節(jié)PI控制 當(dāng)電機(jī)處于啟動(dòng)加速、減速停止或正/反轉(zhuǎn)切換階段時(shí)，系統(tǒng)的速度控制偏差e（t）將會(huì)很大，容易造成PI運(yùn)算的積分積累過(guò)快，從而引起速度的超調(diào)和振蕩。因此有必要根據(jù)速度的控制偏差和不同的負(fù)載狀態(tài)改變PI調(diào)節(jié)器的積分參數(shù)；

2）積分遇限削弱PI控制 任何時(shí)候控制器還會(huì)根據(jù)上一次的PI調(diào)節(jié)器的輸出來(lái)決定當(dāng)前的PI調(diào)節(jié)器的積分動(dòng)作。當(dāng)上一次的PI調(diào)節(jié)器輸出已經(jīng)正向飽和時(shí)，則只有負(fù)的速度控制偏差會(huì)被積分；反之，只有正的速度控制偏差會(huì)被積分。

這兩種控制算法的應(yīng)用都是根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行的，一個(gè)由運(yùn)行狀態(tài)和速度控制偏差共同決定的PI控制算法的積分參數(shù)運(yùn)算模塊被應(yīng)用在PI調(diào)節(jié)器中，速度的PI調(diào)節(jié)器將更智能化。

載頻擺動(dòng) 為降低驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)損耗和提高EMC性能，降低IPM的開(kāi)關(guān)載頻是有效的。然而低于8KHZ的載頻將會(huì)由電機(jī)產(chǎn)生單調(diào)刺耳的音頻噪聲，往往會(huì)造成聽(tīng)覺(jué)疲勞和損傷。

隨機(jī)脈沖寬度調(diào)制（RPWM）是一種有效的解決方法，它改變了電力傳送中能量頻譜的分布方式，將以固定載頻傳送時(shí)確定的離散的諧波能量分布改變?yōu)槟芰康慕七B續(xù)的頻譜分布。

系統(tǒng)使用ATmega88中的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的快速PWM模式，相當(dāng)于邊緣對(duì)齊的PWM，可以同時(shí)改變PWM頻率和占空比。如果將載頻在一定范圍內(nèi)隨機(jī)進(jìn)行變換，而PWM的占空比不變，就可以達(dá)到隨機(jī)脈沖寬度調(diào)制的效果，將刺耳的噪聲改變?yōu)榻频陌自肼暋?/p>

驅(qū)動(dòng)器基準(zhǔn)載頻f1和輸出載頻fout的關(guān)系表達(dá)如下：

fout = f1*（1+Δ）

其中Δ為載頻擺動(dòng)因子，Δ的隨機(jī)取值范圍越大，載頻擺動(dòng)帶來(lái)的效果越好。設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)器的基準(zhǔn)載頻f1為5KHZ，Δ為0～0.5，輸出載頻fout在5KHZ～7.5KHZ之間擺動(dòng)。軟件通過(guò)隨機(jī)函數(shù)獲得Δ，然后通過(guò)簡(jiǎn)單運(yùn)算獲得PWM頻率和占空比參數(shù)。MCU具有雙緩沖的輸出比較寄存器，在下一次定時(shí)器溢出后將自動(dòng)裝入新的PWM頻率和占空比參數(shù)，產(chǎn)生無(wú)干擾脈沖，相位正確的PWM輸出。

結(jié)語(yǔ)

一體化直驅(qū)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器以高可靠性、小型化和人性化為設(shè)計(jì)目標(biāo)，借助微控制器和可編程邏輯器件的高度智能化和可重塑性，以及IPM的高可靠性，使一體化直驅(qū)電機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)得到充分展現(xiàn)；用戶(hù)接口的進(jìn)一步擴(kuò)展和轉(zhuǎn)子定位精度的進(jìn)一步提高，將有可能使一體化直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行互聯(lián)而網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)電子齒輪和電子凸輪的應(yīng)用。