基于DSP的无刷直流电机驱动电路的设计

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 基于DSP的无刷直流电机驱动电路的设计 学 院： 电气信息工程学院 专 业： 控制工程 姓 名： 学 号： 2015年 8 月基于DSP的无刷直流电机驱动电路的设计摘要：以TMS320F28335浮点型处理器为控制器，采用IR2136作为驱动芯片，详细设计了三相无刷直流电机的驱动电路，其中包括电源模块、信号隔离模块、三相全桥驱动电路及过流、过压保护电路等，并对电路中的关键参数进行了计算分析和选择。Design of driver circuit for BLDCM based on DSPAbstract: A three-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.关键词：三相无刷直流电机；驱动电路；IR2136；DSPKey words: three-phase BLDCM; driver circuit;IR2136;DSP随着电力电子技术和高性能永磁材料的发展，无刷直流电机的应用在航空航天、医疗、家电及自动化领域获得了迅猛的发展。无刷电机驱动电路是数字控制电路和无刷直流电机联系的纽带，它采用功率电子开关和霍尔位置传感器代替有刷电机中的电刷和换相器，接收来自数字电路的控制信号，将电流分配给无刷电机定子上的U、V、W三相绕组1。本设计将TMS320F28335作为控制器，具有较高的信号处理和控制功能，并且TMS320F28335具有浮点运算功能，能够实现复杂的智能控制算法，其存储容量大且支持存储器扩展，同时还具有丰富的外设资源。同时采用IR公司的三相无刷直流电机的专用驱动功率芯片IR2136，利用MOSFET作为功率开关，设计三相全控桥式电路。DSP接收霍尔位置传感器的信息，以此为换相依据，经过处理后输出6路PWM波，按一定的顺序控制6个MOSFET的导通和关断。本文详细介绍了三相无刷直流电机驱动电路的设计，对电路中的关键元件进行分析和选型，并且简要介绍了软件设计。1 驱动电路硬件设计1.1总体方案设计驱动电路原理框图如图1所示，主要包括信号调理与隔离部分、驱动部分、三相全桥逆变部分和电压、电流检测部分。图1 三相无刷直流电机控制系统电路框图1.2电源模块本设计使用的三相无刷直流电机的型号是57BL-52-230，额定电压为24 V，额定功率为60 W。而IR2136的工作电压为15 V，信号隔离采用光耦元件，其工作电压为5 V，DSP控制板已集成3.3 V与1.9V稳压模块，故只需5 V供电即可。采用MC34063作为降压芯片，如图2所示。系统的电源输人为24 V，可以直接提供给电机，而通过一个MC34063结合相应的外部匹配电路，即可将电压降到15 V，提供IR2136使用。使用另一块MC34063，修改匹配电路之后即可将15 V电压降为5 V以供控制电路使用。图2(a) 15V转+5V电路图2(b) 24V转15V电路1.3信号隔离模块电机的控制信号由DSP产生，频率较高，同时DSP的工作电压为3.3 V，工作电流也比较低，属于弱电信号，而IR2136所处的电路为强电部分，直接连接会使得主回路的强电信号干扰控制回路中弱电信号，同时为了提高整个控制系统的安全性和可靠性，因此需要采用光耦元件将控制回路与主回路隔离开来。本设计中采用的高速光耦6N137，信号隔离电路如图3所示。光耦的使用保证了控制信号的单向传递，而且高速光耦6N137的传输速度为10 Mbit/S，而PWM波的频率为20 KHz，因此完全能够传输PWM.同时6N137内部就有逻辑增益输出的能力，而且其工作电压为5 V，使得输出的PWM的信号抬高到5 V，也增加了负载能力和抗干扰能力，完全符合IR2136的输人端要求。图3 信号隔离电路1.4 IR2136驱动模块IR公司推出IR2136三相逆变器驱动器集成电路系列，适用于变速电机驱动器设计.新器件集成了6个MOSFET或IGBT高电压栅驱动器，并融合多元化的保护功能。这些集成电路还有助于简化电机驱动器设计，可将驱动电路的尺寸缩减一半。根据设计要求，自举电容必须能够提供功率管导通时所需要的栅极电荷、自举电容的最小设计要求最小电荷要求为2：其中为功率管完全导通时所需要的栅极电荷，为悬浮电源绝对电压，自举二极管的正向压降，为低压侧功率管的压降。这里取234 nC ，=15 V ，=1.3 V ，=0.7 V，C=1.08 uF，结合实际选择C=1 uF。 自举二极管用于开关二极管的充放电过程。当高端IRFP260N管开启时，自举二极管必须承受着和IRFP260N漏极相同的电压，所以二极管的反向承受电压要大于母线电压，充放电恢复时间极短，应选用快恢复二极管以减少自举电容向电源的回馈电荷。这里选用快恢复二极管FR 107作为自举二极管。FR 107的反向恢复时间小于500 ns，反向工作峰值电压1 000V，正向峰值压降小于1.3 V，常温反向电流小于5 uA，高温反向峰值电流小于100 uA。采用IR2136驱动三相逆变桥的六个功率MOSFET的电路原理图如图5所示。IR2136内置了400 ns的死区时间，防止同一桥臂的上下两个MOSFET管同时导通。图4 IR2136驱动电路1.5三相全桥逆变模块逆变电路的作用是将直流电转换为能够驱动三相无刷直流电机的三相交流电U，V和W。需在栅极串联一个适当大小的电阻，其原因为：第一，栅极回路存在寄生电感，与栅源之间的寄生电容会在脉冲的激励下产生很强的振荡，串联一个电阻能使振荡迅速衰减。第二，电容与电感都是无功器件，如果没有栅极电阻，MOS管的温度会上升很多。第三，栅极电阻可以调节开关器件的通断速度，使得开关器件减少损耗的同时又能较好的抑制干扰3。本设计中采用的MOSFET是IRF3205，额定电流为110 A。选择栅极电阻为10 。三相全控桥式电路如图5所示5。图5 三相全控桥式电路1.6电压、流采样与保护过流保护是为了使工作过程中电机出现过流时，关闭三相全桥逆变电路的MOS管，保护电机不至于烧坏4。图4中的R501将母线电流信号转换为电压信号，由于母线电流并不是很大，采样电阻也较小，所以COM端的电压信号较小，经过滤波、放大和隔离电路后将电压信号送到DSP的AD采样口。将采集到的电压信号与程序设定的值比较，当大于设定值时即当作过流，然后是6路PWM口均输出低电平，使得MOS管全部关断，电机停止工作，从而保护电机，电流采样电路见图6(a)。为了防止直流母线电压欠压，需采样母线电压，本设计使用HCPL7800光耦隔离差分放大电压采样信号，使用MCP6022进行信号的二次放大，将信号送到DSP的AD采样口，见图6(b)。图6(a) 电流采样电路图6(b) 母线电压采样电路1.7位置电路本设计采用的是带位置传感器的三相无刷直流电机，通过霍尔位置传感器读取相位信号，进行电子换相4。由于传感器的输出信号常常带有一些干扰信号，所以在送人DSP的捕获单元时需要将其进行整形，在这里选用的是施密特触发反相器74LS14，而74LS14的工作电压为5 V，DSP的IO口电压为3.3 V，此处采用了最简单的电阻分压的方法，经电阻分压之后再将信号送人DSP的捕获单元。如图7所示。图7 霍尔信号采集电路图8 霍尔信号处理电路2软件设计基于TMS320F28335的三相无刷直流电机控制系统软件基本流程图如图9所示，实际应用中还需加上其他模块6。图9(a)为主程序流程图，包括系统时钟、I/0端口、看门狗、系统中断等初始化以及变量初始化等。图9 (b)、（c）为中断子程序流程图，电机启动后，每当霍尔传感器读取的信号发生改变时都会进人捕捉中断，调整PWM控制信号，从而确定MOSFET的导通顺序。在定时中断服务程序计算速度和速度PID控制，计算出对应的占空比。速度控制采用PID算法，其具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等特点，在实际工业中应用十分广泛。 图9 (a)主程序流程 图9 (b)捕捉中断子程序流程 图9 (C)定时中断子程序流程 3结论本文设计完成了一个基于IR2136的无刷直流电机的功率驱动电路。该电路集成了输入欠压、防直通、过流等保护功能。另外，利用IR2136片内自举功能，实现了全桥驱动电路的单一电源供电，并根据计算分析对电路的关键参数进行选择。参考文献:1 曾建安,曾岳南.MOSFET和IGBT驱动器IR2136及其在电机控制中的作用J.电机技术,2005 (1):13-15.2 International Rectifier.应用指南AN-978高压悬浮门驱动IC. International Rectifier, 2007.2 黄玉平.大功率机电伺服系统关键驱动技术研究J.微计算机信息,2010(2):184-1