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摘要：介绍了一种稳速无刷直流电动机系统方案，给出了无刷直流电动机和电机驱动设计，对以专用电机控制芯片实现锁相环(PLL)稳速控制的无刷直流电动机控制驱动系统进行了详细分析。该方案具有可靠性好、成本控制好的优点，并通过试验验证了设计方案的可行性及合理性。
关键词：无刷直流电动机；稳速控制；锁相环
1前言
随着电子技术发展，无刷直流电动机以其维护性好、效率高、体积小、控制特性好等优点，在工业、医疗、航空航天等领域中应用越来越广泛。
本文介绍了一种无刷直流电动机以及利用锁相环(PLL)实现电机稳速控制的系统，对无刷直流电动机提出了设计思路和实物介绍。控制方案采用电机控制专用芯片作为控制单元，根据无刷直流电动机三相六状态特性进行控制，并能够通过硬件实现锁相环稳速功能，最后通过试验与系统设计数据对比，验证了方案的可行性和稳定性。
2无刷直流电动机及驱动器设计
2.1无刷直流电动机系统总体设计
无刷直流电动机在电气结构上可表征为三相六状态，通常根据这个特性实现电机控制。电机中位置传感器将位置信号转换成电信号传送给控制芯片的位置检测单元，经控制芯片处理，由控制芯片按照计算结果控制逆变电路中的功率元件的通断，就可以得到所需要的PWM波形，进而实现控制电动机。为实现电动机的稳速要求，控制器中加入锁相环和电流反馈。电机系统原理如图1所示。
图1无刷直流电动机系统框图
2.2无刷直流电动机
选用电机要求响应快，高速下状态稳定，试验中选用分装结构扁平式内转子永磁无刷直流电动机。该电机霍尔元件采用内嵌式设计，分别嵌入定子铁心中，这种结构更紧凑，且不影响感应效果。定子下安装电路板，引出霍尔电源、霍尔信号以及绕组驱动电压线。电机定子及霍尔元件如图2所示。
图2电机定子、霍尔实物图
2.3驱动器
电机工作时，控制器的逻辑换相单元接收霍尔元件输出的电机转子位置信号，根据时序确定三相全桥的通电逻辑，逻辑信号再与控制电机的脉宽调制PWM信号合成后输入全桥驱动电路，控制相应MOSFET的导通和关断，从而决定电机的某两相绕组通电及通电方向，实现电机的逻辑控制;同时，控制器通过锁相环和电流反馈实现电机稳速控制。
2.3.1控制单元设计
无刷直流电动机控制单元可选用DSP或专用电机控制芯片。DSP可使用软件编程实现锁相环控制，但是芯片成本高，软件编译增加操作难度，所以适用于一些电机系统要求复杂的场合。电机专用控制芯片可分为集成锁相环功能和未集成锁相环功能。使用未集成锁相环功能芯片时，需借助其他辅助芯片完成锁相环功能。试验中发现，使用未集成锁相环功能的芯片，电机的稳速时间过长，系统的反应时间不理想。LV281是一种集成锁相环功能的电机专用控制芯片，内部集成电路包括FG放大器、积分放大器等，其响应速度快，稳速性能好，外围电路设计简单，操作简便，不需要软件编程。采用这种芯片是一种高效可靠的控制解决方案。
图3是控制芯片外围电路设计。该芯片可以实现启动/停止(S/S)、正转/反转(F/R)、电流反馈(RF) ,PWM频率设定(CR)功能。第15管脚RF信号实现电流反馈，起到限流作用;管脚25一30为霍尔信号接收管脚，这6个管脚接收霍尔信号后将信号放大传送到逻辑运算单元，经逻辑运算单元处理的信号被送到前级驱动单元，经处理的信号通过管脚18-23以PWM形式输出，连接到后级驱动单元驱动电动机。
图3控制部分原理图
2.3.2驱动单元设计
电机驱动采用三相六状态的全桥驱动，方波形式，驱动部分电路图如图4所示。三相全桥采用6个MOSFET实现，这样可以有足够的功率裕量，并确保功率部分的散热问题不需考虑。另外，用了6个N沟道MOSFET后，为解决上桥臂的驱动，配用三片单桥驱动电路IR2103S。
全桥驱动电路在非常低的频率下或电机堵转时上桥臂自举不能正常工作，而控制芯片自带的脉宽调制PWM信号的占空比在约95%以下，从而自举电容有时间进行充电而不是一直工作在放电状态，这样可以保证起动成功率100%。
本方案采用IR2103驱动功率元件。功率元件选用型号为IRF7341的场效应管，该元件坑VDG=55V，ID=4.7A，功率电压为28.5V，最大电流4A，能够满足设计电机的要求。
图4驱动单元结构图
2.3.3控制电路的稳速单元
锁相环技术也称自动相位控制，它可以跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统，锁相环可以实现数字信号同步。电机的稳速通过锁相环(PLL)及PID调节两个环节来实现，流程如下：
(1)表征电机转速的FG信号先送入比较器后整形输出，与标准的晶振分频形成的基频信号一起送入锁频鉴相环节PLL进行频率锁定。每两个FG周期速度鉴别器电路输出一个误差信号;每个FG周期PLL电路输出一个相位误差信号。频率锁定时，锁相环输出稳定到某一基量之上。此后再将FG信号与基频信号的相差比例调节到这一基量之上，作为锁相环的最终输出。
(2) PLL环节的输出在经过一个PID环节形成一个模拟量，这个模拟量再与一固定频率的三角波信号一同送入比较器比较，即形成控制电机的脉冲调制PWM信号。PWM信号与全桥驱动逻辑信号相“与”后再送至后级的全桥驱动电路。
与普通只使用速度鉴别器电路的速度控制方法相比，使用PLL电路和速度鉴别器电路相结合，对于负载有大变化的电动机控制，稳速效果得到改善。电动机的速度是由FG脉冲计数和晶体振荡器频率fosc设定的，FG伺服频率：
为实现电机转速17100 r/min，选用频率为4.669 44 MHz的晶体振荡器。
3结束语
通过试验可以看出，利用电机控制专用芯片，根据无刷直流电动机的三相六状态，通过锁相环实现稳速的无刷直流稳速电机控制方案起动快、稳速精度高、可靠性好，能够简单高效地实现无刷直流电动机的稳速控制。
参考文献
[1]姚勤,李定华,黄宇峰.一种稳速无刷直流电动机驱动控制系统[J].微特电机.2015(12).
[2]覃全兴.电动螺丝刀用无刷直流电动机驱动控制器的设计[J].微特电机.2014(12).
[3]王严伟.基于ARM触摸屏的无刷直流电动机控制系统设计[J].微特电机.2012(01).
论文作者:刘欢1,李鑫龙2,陈艳丽3
论文发表刊物:《电力设备》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/18
标签：直流电动机论文; 电机论文; 信号论文; 霍尔论文; 芯片论文; 锁相环论文; 单元论文; 《电力设备》2017年第15期论文;