基于小功率高温无刷直流电动机驱动器设计
摘要：设计了一种能够在高温环境下工作的小功率无刷直流电动机驱动器。驱动器逻辑部分采用高性能的单片机，开关主电路中采用特殊结构，省去了功率器件的驱动芯片，整个驱动器只需一个外部电源。驱动器具有开环调速和恒功率运行等控制功能。实验结果表明该驱动器可在150℃高温环境下稳定运行。
0 引 言
高温电机在石油测井、航天及国防等领域有广泛的应用，目前一般采用感应电机但感应电机存在功率因数低、损耗大、效率低，温升高，而且速度和功率控制电路非常复杂。无刷直流电机转子为永磁结构，转子无电流、效率高、功率密度大、驱动电路简单、控制方便，因而是替代高温感应电机的理想产品。驱动电路是无刷直流电机系统适应高温环境的关键，必须满足耐高温、可靠性高等高温环境的要求。本文针对这些要求设计开发了一种能够在高温环境下工作的小功率无刷直流电动机的驱动器。该驱动器采用了高等级的军工级器件，可驱动额定电压为12 V、额定电流小于2 A的无刷直流电机，具有开环速度调节和恒功率运行等控制功能。驱动器的逻辑部分采用高性能的单片机；开关主电路中采用了特殊结构，从而省去了功率器件的隔离或悬浮自举驱动芯片，大大简化了驱动电路的结构；逻辑电路部分的电源由功率电源稳压得到，从而使整个驱动器只需一个外部电源。对驱动器在150℃的高温环境下进行的运行实验证明了其运行的可靠性。
1系统硬件电路设计驱动器硬件主要包括单片机电路、开关主电路、限流保护电路等原理图如图1所示。
l_1单片机部分
驱动器的逻辑部分采用具有A／D转换、PwM信号输出功能的耐高温单片机芯片。该部分主要完成电机转子位置信号的采集、电动机换相逻辑信号的生成、PwM信号的生成、电机正／反转控制和起动／停止控制等功能。
(1)换相逻辑信号产生单片机根据电机转子位置信号给出换相逻辑信号。图1中单片机的P1．O、P1．1、P1．2引脚连接电机转子位置传感器，采集转子位置信号。P2．O、P2．1、P2．2、P2．3、P2．4、P2．5引脚为换相逻辑控制信号的输出端。单片机通过编程把电机转子位置信号转换为对应的换相逻辑。电机运行时根据采集到的电机转子位置信号HAl、HA2、HA3通过向P2口送对应控制字的方式把6路换相逻辑信号送到 P2．0、P2．1、P2．2、P2．3、P2．4、P2．5引脚。
(2)PwM信号生成驱动器的速度调节采用脉宽调制方法，即通过改变PWM信号的占空比来控制电机电枢电压，从而实现开环调速。该驱动器采用给单片机输入一个可调的模拟电压的方式来调节PWM信号的占空比。
单片机的P2．7引脚为PWM信号输出端。
PwM信号的频率由单片机内的寄存器PWMl值确定。PWM信号的占空比由寄存器PwM0的值确定。在单片机的一个A／D转换输入端P1．7引脚输入模拟电压信号SPCIN。该模拟电压经单片机采样转换成的数字量，再送到寄存器PwM0来改变PWM信号的占空比，实现速度调节。
为了提高A／D转换的精度，本文采用了图2所示的PWM信号占空比给定电路。占空比给定信号不是直接接到单片机的P1．7引脚，而是中间经过一个运放电压跟随环节和一个Rc滤波环节。这样的输人电路可以为单片机内AD(：采样电容上的残留电压提供快速放电通道，从而减少其对所输入模拟信号的影响，同时图中的Rc网络还可以滤除输入信号中的高频干扰。图中Dl、D2为5 V稳压管，可防止输入到A／D口的模拟信号大于单片机的工作电压而使单片机芯片损坏。
(3)起动／停止控制驱动器控制电机的起动／停止是通过在P3．3引脚上输入信号RucN实现的。当RucN为高电平时电机起动，为低电平时停止转动。
(4)正转／反转控制驱动器控制电机的正、反转是通过在P3．2引脚上输入信号DIC：N实现的。当DI(：N为高电平时电机正转，为低电平时反转。
1．2开关主电路
驱动器采用了图3所示的开关主电路。上桥臂功率管Tl、B、_r5为P沟道的MOSFET，下桥臂功率管T2T4、T6为N沟道的MOSFET。
下桥臂的N沟道MOSFET可直接由逻辑电路驱动。上桥臂的P沟道MOSFET的驱动电路由三极管和电阻构成，通过电阻分压构造管子的驱动电压。
以A桥臂为例，当驱动信号Q1为高电平时，三极管D1饱和导通，此时Tl管的栅极对地电压为Dl的饱和压降加上艘上的电压。取R2《R1，R2上的电压可忽略，另外Dl的饱和压降可近似为零，因此Tl管的栅极对地电压近似为零，Tl管栅源电压近似为一12 V，这样就使T1管导通。
这种开关主电路和驱动方式省去隔离或自举驱动芯片，简化了驱动器电路，适合于高温环境下小功率电机驱动。
图中Rtest为电流检测采样电阻。其上电压正比于绕组电流，为限流电路提供电流采样信号。这种电流采样方式省去了专用电流传感器，简单可靠，适合与高温环境。
1．3限流恒功率
控制电路在保持桥臂电压不变的情况下，把电机母线电流的平均值限制在一个固定值，则电机系统的输入输入功率恒定，此时如果电机损耗基本不变，则电机的输出功率也近似恒定，实现了近似恒功率运行。
恒功率运行可以保护电机本体、驱动电路以及该电机所驱动的设备。本文设计的限流控制电路由运算放大器及其外围电路组成，如图4所示。
定值时比较器输出低电平，当母线电流低于设定值时比较器输出高电平，从而控制功率器件通断，使母线电流平均值保持恒定，实现恒功率控制。
l_4驱动器电源
驱动器功率部分电源电压为+12 V，逻辑电路部分器件工作电压为+5 V。本文采用集成稳压器7805将功率电源的+12 V稳压后得到+5 V电压，为逻辑电路部分的供电，从而省去了外部+5 V电源。另外电路中集成运放选用了单电源供电器件，省去了负电源，这样整个驱动器只需一个外部电源+12 V电源，大大简化了为驱动器供电的电源，有利于高温环境运行。
本文选用的单片机分别设置了独立的模拟电源引脚AV。。和数字电源引脚DV。。。为可以防止AVDD被DVDD上的数字信号噪声干扰。本文采用了图5所示的单片机供电电路。AVDD和DVDD之间用一个磁珠串连一个1 n电阻隔开防止干扰，同时再并联两个反方向的肖特基二极管，防止Av。。和DVDD之间电位差过大而使芯片损坏。
2系统软件设计
单片机系统软件主要由主程序、换相控制子程序、A／D转换子程序和PwM信号设定子程序组成。主程序流程如图6所示。
(1)换相控制子程序所设计的驱动器用于驱动三相星形联接无刷直流电机，采用二二导通方式，6种导通状态，转子每转60。变换一种状态。单片机通过向P2口送控制的方式实现换相控制。表l是换相控制子程序中的换相控制字(正转和反转)。电机起动后单片机根据从P1．0、P1．1、P1．2引脚采集到电机位置信号HAl、HA2、ItA3，向P2口送相应的控制字进行换相控制。
(2)A／D转换子程序A／D转换子程序把P1．7引脚输人的用于占空比给定的模拟信号进行采样并转换成一个12位数字量，再送入到寄存器PWM0。为了实现电机的连续调速功能，本文首先通过AD控制特殊寄存器设置AD为连续转换模式，这样可为PWM占空比控制寄存器提供随占空比给定信号变化的数字量。
(3)PwM信号设定子程序。
该子程序主要功能一是设定PWM信号的频率，二是根据A／D转换的结果及时更新占空比设定寄存器PwM0的值，从而改变PWM信号的占空比，使驱动器具有连续调速功能。PWM定时器工作频率为12 MHz，PwM信号频率为4 kHz。此时寄存器PWMl的设定值为12 MHZ，4 kHz=101110111000B。
3实验
本文对研制的驱动器进行了高温环境运行的实 验和限流恒功率运行实验。
(1)高温运行试验把驱动器放入恒温箱，调节恒温箱温度达到150℃并保持恒温，然后起动电机，电机负载加到额定值，通过改变PwM占空比进行在一定范围内连续调速试验，在连续运行3小时过程中，电机及驱动器运行正常，母线电流值和相电流波形无变化。图7是没有限流和PwM控制时相电流的实测波形。重复以上实验10次，电机及驱动器累计运行30小时，驱动器运行正常，器件完好。
(2)限流试验逐渐增大电机的负载转矩，直到电机电流达到限流电路的设定值，限流电路起作用。图8实测的限流时限流电路输出波形和母线电流波形。上面波形为母线电流波形，下面的波形为限流电路的输出信号波形。可以看出，母线电流被限制在一个恒定值以下，实现了恒功率运行。
4结语
(1)本文所设计的小功率高温无刷直流电机驱动器，采用了特殊的开关主电路结构，省去了功率器件的驱动芯片；整个电路只需一个外部电源，电路结构简单，适合高温运行。
(2)驱动器能够具有开环调速控制功能，同时还具有限流功能，能够实现恒功率控制，起到保护电机及驱动器的作用。
(3)高温实验证明了驱动器可以在150℃的高温环境下可靠运行。