一體化直驅電機驅動(dòng)器的設計及實(shí)現

作為工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)基礎的傳動(dòng)設備，一般都采用“交流電動(dòng)機+機械減速機構”的方式來(lái)驅動(dòng),簡(jiǎn)單適用且價(jià)格低廉。但是今天，由機械減速機構帶來(lái)的不利影響，如齒輪箱等的油污泄漏、機械磨損及日常維護等，正在引起人們的關(guān)注，特別是在食品、衛生、制藥等行業(yè)。一種采用低轉速、大力矩無(wú)刷直流電機的直驅電機，取代了機械減速機構，將電機與傳動(dòng)目標直接耦合，在系統性能和成本上具有更多的競爭優(yōu)勢。

驅動(dòng)器結構

與交流感應電動(dòng)機相比，作為無(wú)刷直流電動(dòng)機的直驅電機由于電動(dòng)機轉子的特殊結構，需要特別的驅動(dòng)器才能運行，驅動(dòng)器的電氣結構如圖1所示。

F1: 直驅電機驅動(dòng)器的電氣結構

輔助電源將交流電源轉化為+5/15V直流電源，提供給系統及智能功率模塊使用；用戶(hù)接口提供了一個(gè)驅動(dòng)系統與操作者的溝通渠道，操作者通過(guò)它來(lái)調節電機的運行速度和方向，同時(shí)電機及驅動(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)機轉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，控制電機的運行方向和速度；系統同時(shí)也檢測輸入電壓、電機的負載電流和驅動(dòng)器的工作溫度，獲得電機的工作環(huán)境和工作狀態(tài)，這些將參與電動(dòng)機的控制并且在必要時(shí)將系統切換到保護狀態(tài)，使系統有更高的可靠性。驅動(dòng)器的設計將滿(mǎn)足如下目標：

1）小型化 由于一體化直驅電機的產(chǎn)品目標是將電機與電機驅動(dòng)器合為一體，驅動(dòng)器的體積和散熱是首要的考慮焦點(diǎn)；

2）可靠性 一體化的直驅電機將面對嚴酷的工業(yè)應用環(huán)境的挑戰，產(chǎn)品可靠性在設計之初就應該給予充分的重視；

3）人性化 一體化直驅電機的操作者主要是工廠(chǎng)現場(chǎng)的工人，因此它的用戶(hù)接口設計將更多地考慮人性化和簡(jiǎn)單化。

硬件設計

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

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

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

3）六通道PWM方便了電機速度控制的調節，特別是它的16位定時(shí)器/計數器1，具有雙緩沖的輸出比較寄存器，驅動(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。直驅電機驅動(dòng)器采用120°驅動(dòng)方式，不需要PWM的互補輸出結構。系統用CPLD構建六路PWM輸出信號互鎖，用硬件方式保證IPM的同一橋臂不會(huì )直接導通；MCU根據霍爾傳感器提供的轉子位置信息將PWM信號進(jìn)行切換和分配，驅動(dòng)IPM；

4） 8路10位ADC方便了對電機的工作電壓、負載電流和工作溫度的數據采集，MCU內置的1.1V能隙電壓基準的使用，使驅動(dòng)器在嚴酷工作環(huán)境運行的同時(shí)，還能隨時(shí)修正ADC結果，保證較高的系統精度；

5）用CPLD來(lái)構建控制系統所需要的邏輯電路，除了對IPM的PWN驅動(dòng)信號進(jìn)行切換、分配和互鎖外，還將IPM的過(guò)流保護信號進(jìn)行鎖存，以單穩態(tài)觸發(fā)的方式封鎖IPM的驅動(dòng)信號，并將過(guò)流信息傳遞給MCU，使系統安全進(jìn)入故障保護狀態(tài)；在系統上電過(guò)程中，系統的直流母線(xiàn)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)大的電機工作電流損壞軟啟動(dòng)電路；而CPLD的在線(xiàn)編程(ISP)特性，也使得系統在開(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，設計中選用Sanken公司450V/15A的IPM SMM1003。(1)IPM采用高電平驅動(dòng)接口，內置了下拉電阻，以保證系統在上電/掉電等不確定狀態(tài)下的可靠性；由CPLD輸出的PWM驅動(dòng)信號經(jīng)R23～R28(100Ω)和C17～C22(470Pf)組成的濾波器濾波后驅動(dòng)IPM，可以提高電力電子部分的抗擾性。由濾波器帶來(lái)的驅動(dòng)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，是可以忽略不計的；(2) IPM內置的分流電阻作為電流傳感器用來(lái)檢測流過(guò)IPM的電流，這一電流信息與電動(dòng)機的工作電流有對應關(guān)系，被放大后提供給控制核心，用來(lái)控制系統的輸出功率級別，同時(shí)檢測電動(dòng)機的負載大小，判斷電機的工作狀態(tài)。當電流值大于保護極限時(shí)，IPM將被觸發(fā)進(jìn)入過(guò)流保護狀態(tài)，關(guān)斷所有IGBT。

用戶(hù)接口驅動(dòng)器的用戶(hù)接口分為近端接口和遠端接口。速度調節按鍵K2和工作狀態(tài)顯示LED為近端接口，位于電機的驅動(dòng)器上，相對而言，它們的工作環(huán)境要好一些，直接使用電平驅動(dòng)方式；而電機的正反轉和啟動(dòng)/停止控制可能需要頻繁地操作，有可能需要在離電機較遠而離操作者較近的控制臺加以控制，屬于遠端控制，這些控制信號將面臨更多的現場(chǎng)干擾，選用電流驅動(dòng)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定在1mA左右。當遠端開(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，而這種級別的無(wú)線(xiàn)耦合干擾即使在工業(yè)現場(chǎng)也是很少的，上拉電阻越小，上拉強度越強，相當于遠端輸入回路的輸入阻抗越小，這種遠端接口的抗干擾能力也就越強。