一體化直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)設(shè)備，一般都采用“交流電動(dòng)機(jī)+機(jī)械減速機(jī)構(gòu)”的方式來(lái)驅(qū)動(dòng),簡(jiǎn)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(lái)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(dòng)目標(biāo)直接耦合，在系統(tǒng)性能和成本上具有更多的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

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

F1: 直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)與操作者的溝通渠道，操作者通過(guò)它來(lái)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(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(jī)轉(zhuǎn)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(jī)，控制電機(jī)的運(yùn)行方向和速度；系統(tǒng)同時(shí)也檢測(cè)輸入電壓、電機(jī)的負(fù)載電流和驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)器合為一體，驅(qū)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(qū)電機(jī)將面對(duì)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(chǎng)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(jiǎn)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(jiǎn)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(guò)電位器來(lái)進(jìn)行設(shè)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(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(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(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用120°驅(qū)動(dòng)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(hào)互鎖，用硬件方式保證IPM的同一橋臂不會(huì)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(hào)進(jìn)行切換和分配，驅(qū)動(dòng)IPM；

4） 8路10位ADC方便了對(duì)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(dòng)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(lái)構(gòu)建控制系統(tǒng)所需要的邏輯電路，除了對(duì)IPM的PWN驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行切換、分配和互鎖外，還將IPM的過(guò)流保護(hù)信號(hào)進(jìn)行鎖存，以單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)的方式封鎖IPM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將過(guò)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(guò)程中，系統(tǒng)的直流母線處于軟啟動(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(duì)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(jī)工作電流損壞軟啟動(dòng)電路；而CPLD的在線編程(ISP)特性，也使得系統(tǒng)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(gòu)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(tǒng)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(qū)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(shè)計(jì)中選用Sanken公司450V/15A的IPM SMM1003。(1)IPM采用高電平驅(qū)動(dòng)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(dòng)信號(hào)經(jīng)R23～R28(100Ω)和C17～C22(470Pf)組成的濾波器濾波后驅(qū)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(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)間延遲為0.05us左右,相對(duì)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(lái)檢測(cè)流過(guò)IPM的電流，這一電流信息與電動(dòng)機(jī)的工作電流有對(duì)應(yīng)關(guān)系，被放大后提供給控制核心，用來(lái)控制系統(tǒng)的輸出功率級(jí)別，同時(shí)檢測(cè)電動(dòng)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(guò)流保護(hù)狀態(tài)，關(guān)斷所有IGBT。

用戶接口驅(qū)動(dòng)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(dòng)器上，相對(duì)而言，它們的工作環(huán)境要好一些，直接使用電平驅(qū)動(dòng)方式；而電機(jī)的正反轉(zhuǎn)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(jī)較遠(yuǎn)而離操作者較近的控制臺(tái)加以控制，屬于遠(yuǎn)端控制，這些控制信號(hào)將面臨更多的現(xiàn)場(chǎng)干擾，選用電流驅(qū)動(dòng)方式可以有效地提高信號(hào)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(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(jí)別的無(wú)線耦合干擾即使在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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)。