数字控制无刷直流电动机的驱动器硬件设计

　　0　引言

　　无刷直流电动机兼有交流异步电动机简单、可靠、寿命长、便于维护的优点和有刷直流电动机调速性好、效率高、起动力矩大、过载能力强的优点,在电气传动的各个领域得到了日益广泛的应用。无刷直流电动机的控制与驱动可以采用集成芯片配以一定外围电路实现,比如以MC33035为核心的无刷直流电动机驱动器,可以应用在精度要求不高的调速场合。以单片机、ARM、DSP等作为控制器,加功率驱动单元组成的无刷直流电动机数字控制系统,具有精度高、控制灵活,以及可以软件实现换向逻辑和相关先进算法等优点,成为发展趋向。本文作者介绍了一种基于数字控制器的无刷直流电动机功率驱动器硬件的设计,包括电源、霍尔位置传感器电路、控制信号隔离调理电路、驱动芯片、逆变主电路、电流采样、保护电路设计等,不含控制器硬件、软件设计部分。

　　1　功率驱动器硬件结构

　　1·1　功率驱动器总体方案

　　微控制器输出PWM或电平驱动信号经过隔离、调理,作为驱动芯片的输入;驱动芯片集成了逻辑保护、自举电路和电平转换电路等,输出15V左右的电压信号,去触发逆变主电路部分的电压控制型功率器件(电力MOSFET或IGBT),控制其导通和关闭,从而产生符合电机运转的电源。电机霍尔位置传感器信号经过整形放大,送微控制器进行换向和速度计算。电流采样经放大、调理、隔离,可以送微控制器处理,供电流调节或运行保护之用。驱动芯片集成部分保护电路,其保护信号经隔离后可以送微控制器处理。电机功率驱动器硬件结构框图见图1,实物图见图2。

　　1·2　电源设计

　　由于功率驱动器逆变主电路、驱动芯片和其它芯片电源电压不同,加之功率驱动放大部分须与微控制器进行隔离,本设计共4种电源。18~36V DC为逆变主电路电源,可由市电整流得到;将主电路直流电经三端稳压管7815得到15V DC供驱动芯片;将15VDC电源经三端稳压管7805得到5VDC供其它芯片使用;在电路图中分别以18~36V DC、V-15V、V-5V表示,且这三种电源共地GND;电路图中以V-5VD和VSS表示的即为微控制器3·3~5V电源,该电源须引入供隔离器件、相关传感器使用。电源电路设计见图3。

　　1·3　霍尔位置传感器电路

　　霍尔信号本身为电荷量,驱动能力不够,需要整形放大才能送微控制器。本设计采取将霍尔信号两次反向和RC滤波的方法,反相器采用414芯片,原理图如图4所示。

　　1·4　控制信号隔离调理电路

　　控制信号一般为20kHz左右的PWM波,需要采用高速光耦进行隔离、整形和电平转换。6N137光耦开关时间最大75ns,符合功率驱动器要求。如图5所示电路原理图5 (a)为采用微控制器高电平有效方式,图5 (b)为采用低电平有效方式。