一體化直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

作為工業(yè)生產(chǎn)線基礎(chǔ)的傳動設(shè)備，一般都采用“交流電動機(jī)+機(jī)械減速機(jī)構(gòu)”的方式來驅(qū)動,簡單適用且價(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)與傳動目標(biāo)直接耦合，在系統(tǒng)性能和成本上具有更多的競爭優(yōu)勢。

驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

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

F1: 直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動器的電氣結(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；用戶接口提供了一個(gè)驅(qū)動系統(tǒng)與操作者的溝通渠道，操作者通過它來調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行速度和方向，同時(shí)電機(jī)及驅(qū)動器的工作狀態(tài)也通過它傳遞給操作者；霍爾傳感器作為位置傳感器，將無刷直流電動機(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)也檢測輸入電壓、電機(jī)的負(fù)載電流和驅(qū)動器的工作溫度，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)動器的設(shè)計(jì)將滿足如下目標(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)動器合為一體，驅(qū)動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)場的工人，因此它的用戶接口設(shè)計(jì)將更多地考慮人性化和簡單化。

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，省略了通過電位器來進(jìn)行設(shè)置和記憶的方式，而采用較簡單的按鍵開關(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)動器用它來產(chǎn)生無干擾脈沖、相位正確的可變頻率的PWM。直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動器采用120°驅(qū)動方式，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輸出信號互鎖，用硬件方式保證IPM的同一橋臂不會直接導(dǎo)通；MCU根據(jù)霍爾傳感器提供的轉(zhuǎn)子位置信息將PWM信號進(jìn)行切換和分配，驅(qū)動IPM；

4） 8路10位ADC方便了對電機(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來構(gòu)建控制系統(tǒng)所需要的邏輯電路，除了對IPM的PWN驅(qū)動信號進(jìn)行切換、分配和互鎖外，還將IPM的過流保護(hù)信號進(jìn)行鎖存，以單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)的方式封鎖IPM的驅(qū)動信號，并將過流信息傳遞給MCU，使系統(tǒng)安全進(jìn)入故障保護(hù)狀態(tài)；在系統(tǒng)上電過程中，系統(tǒng)的直流母線處于軟啟動階段，以保證較大的電源濾波電解電容在充電過程中不會對前端的整流器件造成損壞，在這一階段，CPLD將禁止IPM的輸出以免過大的電機(jī)工作電流損壞軟啟動電路；而CPLD的在線編程(ISP)特性，也使得系統(tǒng)在開發(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和軟啟動電路中的繼電器。15V再經(jīng)過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開關(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)動信號經(jīng)R23～R28(100Ω)和C17～C22(470Pf)組成的濾波器濾波后驅(qū)動IPM，可以提高電力電子部分的抗擾性。由濾波器帶來的驅(qū)動信號時(shí)間延遲為0.05us左右,相對于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檢測流過IPM的電流，這一電流信息與電動機(jī)的工作電流有對應(yīng)關(guān)系，被放大后提供給控制核心，用來控制系統(tǒng)的輸出功率級別，同時(shí)檢測電動機(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)入過流保護(hù)狀態(tài)，關(guān)斷所有IGBT。

用戶接口驅(qū)動器的用戶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)動器上，相對而言，它們的工作環(huán)境要好一些，直接使用電平驅(qū)動方式；而電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和啟動/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加以控制，屬于遠(yuǎn)端控制，這些控制信號將面臨更多的現(xiàn)場干擾，選用電流驅(qū)動方式可以有效地提高信號的可靠性。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)端開關(guān)K1閉合時(shí)，在開關(guān)回路中需要流過大于0.5mA的電流(與光耦的電流傳輸比CTR有關(guān))，PD0端口才會被拉低，而這種級別的無線耦合干擾即使在工業(yè)現(xiàn)場也是很少的，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)。