低壓大電流無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

徐 剛，袁 文，陳錦杰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

通訊基站備用電源系統(tǒng)中的送風(fēng)子系統(tǒng)采用一種低壓大電流風(fēng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，如圖1 所示。風(fēng)泵采用無刷直流電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱BLDCM)，其優(yōu)勢(shì)在于:BLDCM 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(無電刷，轉(zhuǎn)子為永磁體)，運(yùn)行可靠;擁有較高的功率密度，可以減小電機(jī)的在設(shè)備中的安裝尺寸;類似于直流電機(jī)的控制方式，控制方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。

圖1 BLDCM 送風(fēng)子系統(tǒng)安裝機(jī)架

低壓大電流驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于大電流流過電路時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的損耗，轉(zhuǎn)換為熱量造成驅(qū)動(dòng)電路溫度上升，給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定因素，并且溫度過高會(huì)造成損壞。

因而，在做好驅(qū)動(dòng)器溫度監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能的同時(shí)，一般從降低逆變電路損耗和加強(qiáng)散熱措施兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。具體可分為以下三個(gè)優(yōu)化方向:采用具有更低導(dǎo)通阻抗的功率器件，減小功率器件在大電流工作狀態(tài)下產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗;PCB 設(shè)計(jì)和制造中熱管理的優(yōu)化和載流能力的提高，如采用ANDUS 公司的X－Cool SMT 技術(shù);功率器件的散熱設(shè)計(jì)［1］。

1 方案簡(jiǎn)介

1.1 BLDCM 驅(qū)動(dòng)方法原理

本文采用了基于霍爾位置傳感器的“6 拍換相二二導(dǎo)通”［2］的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法，這種方法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

二二導(dǎo)通的方式是指任意導(dǎo)通逆變電路中兩個(gè)開關(guān)管，如圖2 所示。注意同一個(gè)橋臂的開關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通，則共有六種狀態(tài):VT1VT2/VT1VT4/VT3VT0/VT3VT4/VT5VT0/VT5VT2，對(duì)應(yīng)于六種繞組(三相BLDCM)狀態(tài)AB/AC/BA/BC/CA/CB，如圖3 所示。電流流經(jīng)繞組在空間內(nèi)形成6 個(gè)空間磁場(chǎng)

圖2 BLDCM 控制器逆變電路示意圖

1.2 硬件方案簡(jiǎn)介

驅(qū)動(dòng)器硬件框圖如圖4 所示，從功能上可分為控制芯片電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等。

圖4 驅(qū)動(dòng)器硬件框圖

本文的控制芯片采用了Microchip 公司的16 位高性能芯片dsPIC33FJ64MC706，芯片采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，運(yùn)算速度最快為40 MIPS，溫度范圍為－40℃～ + 85℃，片上資源具有8 路電機(jī)控制PWM、2 個(gè)ADC、1 個(gè)增強(qiáng)型CAN 接口等。

驅(qū)動(dòng)電路為典型的逆變電路，低壓大電流驅(qū)動(dòng)應(yīng)注意功率MOSFET 的發(fā)熱和逆變電路PCB 的載流能力。本文從以下三個(gè)方面對(duì)逆變電路的熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化:(1)在功率器件選型時(shí)，選用低導(dǎo)通阻抗的功率MOSFET－IRFP4368，并采用了兩片并聯(lián)的方式，進(jìn)一步降低MOSFET 的導(dǎo)通阻抗，進(jìn)而減小MOSFET通態(tài)損耗、降低MOS 管的發(fā)熱量。(2)在PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，主回路PCB 布線時(shí)線徑加寬，并在其表面去掉阻焊層，然后在PCB 表面加焊粗銅條和大面積鋪錫(如圖5 所示)，以增加PCB 的載流能力，+50V 電源線、地線以及電機(jī)三相輸出線采用較粗的銅導(dǎo)線引出至端子等，降低電流在主回路上的損耗。(3)本文MOS管的散熱采用自然冷卻的方式，通過MOSFET 與外界環(huán)境(指空氣)之間的熱交換，降低MOSFET 溫度。本文采取了兩種措施以降低 MOS－FET 與外界環(huán)境之間的熱阻、提高散熱性能:在MOS 管與散熱器之間采用具有較低熱阻的熱傳導(dǎo)材料－電絕緣矽膠布，并使用導(dǎo)熱硅脂填充間隙;使用大面積、具有銑齒槽的散熱片作為驅(qū)動(dòng)器的底座，增加與空氣之間的熱傳導(dǎo)面積(如圖6 所示)。

圖5 大電流驅(qū)動(dòng)電路PCB 設(shè)計(jì)

圖6 MOSFET 安裝圖

保護(hù)電路主要處理電流、電壓、溫度信號(hào)，電路設(shè)計(jì)方案為單電阻采樣母線電流、串聯(lián)電阻分?jǐn)偰妇€電壓、DS18b20 測(cè)量溫升。通過實(shí)時(shí)處理這些信號(hào)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)功能，包括過流保護(hù)、欠壓/過壓保護(hù)、高溫保護(hù)等。

通訊采用了dsPIC33F 系列DSC 的ECAN(增強(qiáng)型控制器局域網(wǎng))模塊，它具有以下主要特性:完全符合CAN2.0B 協(xié)議，具有較高的可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力，并且通訊速度快(最高支持1 Mbps的可編程比特率)、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、應(yīng)用成熟。

1.3 軟件方案簡(jiǎn)介

軟件設(shè)計(jì)流程如圖7 所示，用戶通過上位機(jī)(CAN 總線)可以以下執(zhí)行三種操作:了解驅(qū)動(dòng)器的實(shí)時(shí)信息，包括母線電流/溫度/速度/報(bào)警等;實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行速度;在驅(qū)動(dòng)器報(bào)警后，清除報(bào)警。本文將介紹PI 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和調(diào)速系統(tǒng)的控制框架。

圖7 軟件流程圖

1.3.1 速度環(huán)PI 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

數(shù)字PID 調(diào)節(jié)器有兩種算式:位置式和增量式［3］。本文采用位置式PI 調(diào)節(jié)器，其輸出的時(shí)域方程:

式中:u(t)為調(diào)節(jié)器在t 時(shí)刻的輸出;e 代表偏差;Kp為比例環(huán)節(jié)的放大倍數(shù);τ 為積分時(shí)間常數(shù)。離散化后第n 拍的輸出方程:

式中:Tsam為采樣周期，在編程時(shí)通常用KI代替上式中的，KI稱之為積分環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)。

1.3.2 BLDCM 調(diào)速系統(tǒng)控制構(gòu)架

BLDCM 調(diào)速系統(tǒng)的控制框架如圖8 所示，其工作流程如下:由速度的給定值Vref和實(shí)際值Vactual計(jì)算出轉(zhuǎn)速偏差Verror，Verror經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)器和防止積分飽和環(huán)節(jié)，可以計(jì)算得到PWM 控制輸出信號(hào)的占空比，再由Hall 傳感器的狀態(tài)解碼得到6 路PWM輸出信號(hào)的導(dǎo)通時(shí)序，PWM 產(chǎn)生器根據(jù)計(jì)算出的占空比和導(dǎo)通時(shí)序，輸出PWM 控制信號(hào)，控制逆變器開關(guān)管動(dòng)作，進(jìn)而控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

圖8 調(diào)速系統(tǒng)的控制架構(gòu)

2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

首先，通過測(cè)試三相電機(jī)的輸出相電壓和相電流波形，分析BLDCM 調(diào)速系統(tǒng)控制架構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和適用性，然后測(cè)試大電流情況下控制器長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的穩(wěn)定性(溫度曲線)。

2.1 控制器輕載實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程:調(diào)節(jié)供電電源輸出電壓為55 V 左右，通過CAN 總線向風(fēng)機(jī)發(fā)送3 000 r/min 的轉(zhuǎn)速命令，并采取堵住風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的加負(fù)載方式，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/min 時(shí)，電源輸出電流為10 A 左右。使用示波器觀測(cè)三相(A/B/C)的輸出電壓和C相的輸出電流，記錄波形如圖9。其中CH1 為A 相相電壓，CH4 為B 相電壓，CH2 為C 相相電壓，CH3為C 相相電流。

在實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)注意電流探頭的工作范圍，本文采用的電流探頭的型號(hào)為FLUKE i30s，其最大測(cè)試電流(有效值)為20 A，測(cè)得此時(shí)C 相電流有效值為16.5 A 左右。應(yīng)注意示波器地線為電源地，而不是三相繞組的中心點(diǎn)。

分析圖9 中波形，可以根據(jù)開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)，將一個(gè)周期360°電角度的波形劃分為6 種狀態(tài)，如圖所示，并且A 相、B 相、C 相每?jī)上嚯妷褐g的相位差為120°電角度。狀態(tài)1 情況，繞組導(dǎo)通方式為AC，對(duì)應(yīng)開關(guān)管VT1、VT4 導(dǎo)通，VT1 為PWM 斬波，VT4 完全導(dǎo)通，通過控制VT1 的占空比調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此類推狀態(tài)2 ～6。

圖9 三相電壓與C 相相電流波形

考慮到本次應(yīng)用的調(diào)速范圍為900 ～4 000 r/min，避開了“二二導(dǎo)通”控制方式低速時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的缺點(diǎn)，系統(tǒng)采用“6 拍換相二二導(dǎo)通”的控制模式工作正常，配合速度環(huán)PI 調(diào)節(jié)器能夠平穩(wěn)調(diào)節(jié)BLDCM 的轉(zhuǎn)速。

2.2 溫升測(cè)試實(shí)驗(yàn)

溫升測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)室溫度在27℃左右，基本無風(fēng)，控制器電源輸出電壓為55 V，給風(fēng)機(jī)加負(fù)載，使驅(qū)動(dòng)器供電電源輸出電流為20 A 左右。使驅(qū)動(dòng)器保持工作在大電流狀態(tài)，每隔5 min 由CAN 讀出溫度傳感器DS18b20 檢測(cè)的溫度，并記錄結(jié)果，如圖10 所示，這里對(duì)比研究了雙管并聯(lián)與單MOSFET 兩種方案的發(fā)熱量。

圖10 驅(qū)動(dòng)器溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)注意此時(shí)BLDCM 相電流已經(jīng)超出了電流探頭的量程，使用數(shù)字電流表UNI－T UT201 測(cè)量U相輸出有效電流值為30 A 左右。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以定性地得到雙管并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的1 h 的發(fā)熱量低于單管驅(qū)動(dòng)，而且無論是單管還是雙管方案，1 個(gè)小時(shí)后驅(qū)動(dòng)器溫度均穩(wěn)定在60℃左右，對(duì)于驅(qū)動(dòng)器來說還是比較安全的。

3 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了基于霍爾傳感器的“6 拍換相二二導(dǎo)通”這種簡(jiǎn)單的BLDCM 驅(qū)動(dòng)方法適用于本系統(tǒng)，具有原理簡(jiǎn)單、成本低廉、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)器在大電流狀態(tài)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠的工作。

在以后的工作中，大電流驅(qū)動(dòng)器可以朝兩個(gè)方向優(yōu)化:繼續(xù)降低驅(qū)動(dòng)器工作在大電流狀態(tài)下的溫升，優(yōu)化PCB 設(shè)計(jì)，嘗試損耗更小的MOSFET，優(yōu)化散熱措施等。在本文的應(yīng)用中，風(fēng)機(jī)負(fù)載較穩(wěn)定，并且對(duì)于控制精度要求不高，所以可以嘗試在應(yīng)用中使用無位置傳感器調(diào)速技術(shù)。

［1］ 龍昊，付桂翠，高澤溪.自然空氣冷卻情況下功率器件散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電子元件與材料，2003，22(3):18－21.

［2］ 韋啟宣.基于DSP 的無刷直流電機(jī)方波驅(qū)動(dòng)與正弦波驅(qū)動(dòng)研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2012:8.

［3］ 阮毅，陳維鈞. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2006:68－70.