0 引 言
高溫電機在石油測井、航天及國防等領域有廣泛的應用，目前一般采用感應電機但感應電機存在功率因數(shù)低,、損耗大,、效率低，溫升高,，而且速度和功率控制電路非常復雜,。無刷直流電機轉子為永磁結構，轉子無電流,、效率高,、功率密度大、驅動電路簡單,、控制方便,，因而是替代高溫感應電機的理想產(chǎn)品。驅動電路是無刷直流電機系統(tǒng)適應高溫環(huán)境的關鍵,，必須滿足耐高溫,、可靠性高等高溫環(huán)境的要求。本文針對這些要求設計開發(fā)了一種能夠在高溫環(huán)境下工作的小功率無刷直流電動機的驅動器,。該驅動器采用了高等級的軍工級器件,，可驅動額定電壓為12 V、額定電流小于2 A的無刷直流電機,，具有開環(huán)速度調節(jié)和恒功率運行等控制功能,。驅動器的邏輯部分采用高性能的單片機；開關主電路中采用了特殊結構,，從而省去了功率器件的隔離或懸浮自舉驅動芯片,，大大簡化了驅動電路的結構；邏輯電路部分的電源由功率電源穩(wěn)壓得到,，從而使整個驅動器只需一個外部電源,。對驅動器在150℃的高溫環(huán)境下進行的運行實驗證明了其運行的可靠性。
1系統(tǒng)硬件電路設計驅動器硬件主要包括單片機電路,、開關主電路,、限流保護電路等原理圖如圖1所示。
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l_1單片機部分
驅動器的邏輯部分采用具有A／D轉換,、PwM信號輸出功能的耐高溫單片機芯片,。該部分主要完成電機轉子位置信號的采集、電動機換相邏輯信號的生成,、PwM信號的生成,、電機正／反轉控制和起動／停止控制等功能。
(1)換相邏輯信號產(chǎn)生單片機根據(jù)電機轉子位置信號給出換相邏輯信號,。圖1中單片機的P1．O,、P1．1,、P1．2引腳連接電機轉子位置傳感器，采集轉子位置信號,。P2．O,、P2．1、P2．2,、P2．3,、P2．4、P2．5引腳為換相邏輯控制信號的輸出端,。單片機通過編程把電機轉子位置信號轉換為對應的換相邏輯,。電機運行時根據(jù)采集到的電機轉子位置信號HAl、HA2,、HA3通過向P2口送對應控制字的方式把6路換相邏輯信號送到 P2．0,、P2．1、P2．2,、P2．3,、P2．4、P2．5引腳,。
(2)PwM信號生成驅動器的速度調節(jié)采用脈寬調制方法,，即通過改變PWM信號的占空比來控制電機電樞電壓，從而實現(xiàn)開環(huán)調速,。該驅動器采用給單片機輸入一個可調的模擬電壓的方式來調節(jié)PWM信號的占空比,。
單片機的P2．7引腳為PWM信號輸出端。
PwM信號的頻率由單片機內的寄存器PWMl值確定,。PWM信號的占空比由寄存器PwM0的值確定,。在單片機的一個A／D轉換輸入端P1．7引腳輸入模擬電壓信號SPCIN。該模擬電壓經(jīng)單片機采樣轉換成的數(shù)字量,，再送到寄存器PwM0來改變PWM信號的占空比，實現(xiàn)速度調節(jié),。
為了提高A／D轉換的精度,，本文采用了圖2所示的PWM信號占空比給定電路。占空比給定信號不是直接接到單片機的P1．7引腳,，而是中間經(jīng)過一個運放電壓跟隨環(huán)節(jié)和一個Rc濾波環(huán)節(jié),。這樣的輸人電路可以為單片機內AD(：采樣電容上的殘留電壓提供快速放電通道，從而減少其對所輸入模擬信號的影響,，同時圖中的Rc網(wǎng)絡還可以濾除輸入信號中的高頻干擾,。圖中Dl、D2為5 V穩(wěn)壓管,，可防止輸入到A／D口的模擬信號大于單片機的工作電壓而使單片機芯片損壞,。
(3)起動／停止控制驅動器控制電機的起動／停止是通過在P3．3引腳上輸入信號RucN實現(xiàn)的,。當RucN為高電平時電機起動，為低電平時停止轉動,。
(4)正轉／反轉控制驅動器控制電機的正,、反轉是通過在P3．2引腳上輸入信號DIC：N實現(xiàn)的。當DI(：N為高電平時電機正轉,，為低電平時反轉,。
1．2開關主電路
驅動器采用了圖3所示的開關主電路。上橋臂功率管Tl,、B,、_r5為P溝道的MOSFET，下橋臂功率管T2T4,、T6為N溝道的MOSFET,。
下橋臂的N溝道MOSFET可直接由邏輯電路驅動。上橋臂的P溝道MOSFET的驅動電路由三極管和電阻構成,，通過電阻分壓構造管子的驅動電壓,。
以A橋臂為例，當驅動信號Q1為高電平時,，三極管D1飽和導通,，此時Tl管的柵極對地電壓為Dl的飽和壓降加上艘上的電壓。取R2《R1,，R2上的電壓可忽略,，另外Dl的飽和壓降可近似為零，因此Tl管的柵極對地電壓近似為零,，Tl管柵源電壓近似為一12 V,，這樣就使T1管導通。
這種開關主電路和驅動方式省去隔離或自舉驅動芯片,，簡化了驅動器電路,，適合于高溫環(huán)境下小功率電機驅動。
圖中Rtest為電流檢測采樣電阻,。其上電壓正比于繞組電流,，為限流電路提供電流采樣信號。這種電流采樣方式省去了專用電流傳感器,，簡單可靠,，適合與高溫環(huán)境。
1．3限流恒功率
控制電路在保持橋臂電壓不變的情況下,，把電機母線電流的平均值限制在一個固定值,，則電機系統(tǒng)的輸入輸入功率恒定，此時如果電機損耗基本不變,，則電機的輸出功率也近似恒定,，實現(xiàn)了近似恒功率運行,。
恒功率運行可以保護電機本體、驅動電路以及該電機所驅動的設備,。本文設計的限流控制電路由運算放大器及其外圍電路組成,，如圖4所示。
定值時比較器輸出低電平,，當母線電流低于設定值時比較器輸出高電平,，從而控制功率器件通斷，使母線電流平均值保持恒定,，實現(xiàn)恒功率控制,。
l_4驅動器電源
驅動器功率部分電源電壓為+12 V，邏輯電路部分器件工作電壓為+5 V,。本文采用集成穩(wěn)壓器7805將功率電源的+12 V穩(wěn)壓后得到+5 V電壓,，為邏輯電路部分的供電，從而省去了外部+5 V電源,。另外電路中集成運放選用了單電源供電器件,，省去了負電源，這樣整個驅動器只需一個外部電源+12 V電源,，大大簡化了為驅動器供電的電源,，有利于高溫環(huán)境運行。
本文選用的單片機分別設置了獨立的模擬電源引腳AV,。,。和數(shù)字電源引腳DV。,。,。為可以防止AVDD被DVDD上的數(shù)字信號噪聲干擾。本文采用了圖5所示的單片機供電電路,。AVDD和DVDD之間用一個磁珠串連一個1 n電阻隔開防止干擾,，同時再并聯(lián)兩個反方向的肖特基二極管，防止Av,。,。和DVDD之間電位差過大而使芯片損壞。
2系統(tǒng)軟件設計
單片機系統(tǒng)軟件主要由主程序,、換相控制子程序,、A／D轉換子程序和PwM信號設定子程序組成,。主程序流程如圖6所示,。
(1)換相控制子程序所設計的驅動器用于驅動三相星形聯(lián)接無刷直流電機，采用二二導通方式,，6種導通狀態(tài),，轉子每轉60,。變換一種狀態(tài)。單片機通過向 P2口送控制的方式實現(xiàn)換相控制,。表l是換相控制子程序中的換相控制字(正轉和反轉),。電機起動后單片機根據(jù)從P1．0、P1．1,、P1．2引腳采集到電機位置信號HAl,、HA2、ItA3,，向P2口送相應的控制字進行換相控制,。
(2)A／D轉換子程序A／D轉換子程序把P1．7引腳輸人的用于占空比給定的模擬信號進行采樣并轉換成一個12位數(shù)字量，再送入到寄存器PWM0,。為了實現(xiàn)電機的連續(xù)調速功能,，本文首先通過AD控制特殊寄存器設置AD為連續(xù)轉換模式，這樣可為PWM占空比控制寄存器提供隨占空比給定信號變化的數(shù)字量,。
(3)PwM信號設定子程序,。
該子程序主要功能一是設定PWM信號的頻率，二是根據(jù)A／D轉換的結果及時更新占空比設定寄存器PwM0的值,，從而改變PWM信號的占空比,，使驅動器具有連續(xù)調速功能。PWM定時器工作頻率為12 MHz,，PwM信號頻率為4 kHz,。此時寄存器PWMl的設定值為12 MHZ，4 kHz=101110111000B,。
3實驗
本文對研制的驅動器進行了高溫環(huán)境運行的實 驗和限流恒功率運行實驗,。
(1)高溫運行試驗把驅動器放入恒溫箱，調節(jié)恒溫箱溫度達到150℃并保持恒溫,，然后起動電機,，電機負載加到額定值，通過改變PwM占空比進行在一定范圍內連續(xù)調速試驗,，在連續(xù)運行3小時過程中,，電機及驅動器運行正常，母線電流值和相電流波形無變化,。圖7是沒有限流和PwM控制時相電流的實測波形,。重復以上實驗10次，電機及驅動器累計運行30小時,，驅動器運行正常,，器件完好。
(2)限流試驗逐漸增大電機的負載轉矩,，直到電機電流達到限流電路的設定值,，限流電路起作用,。圖8實測的限流時限流電路輸出波形和母線電流波形。上面波形為母線電流波形,，下面的波形為限流電路的輸出信號波形,。可以看出,，母線電流被限制在一個恒定值以下,，實現(xiàn)了恒功率運行。
4結語
(1)本文所設計的小功率高溫無刷直流電機驅動器,，采用了特殊的開關主電路結構,，省去了功率器件的驅動芯片；整個電路只需一個外部電源,，電路結構簡單,，適合高溫運行。
(2)驅動器能夠具有開環(huán)調速控制功能,，同時還具有限流功能,，能夠實現(xiàn)恒功率控制，起到保護電機及驅動器的作用,。
(3)高溫實驗證明了驅動器可以在150℃的高溫環(huán)境下可靠運行,。