永磁无刷直流电机控制器设计

苏州城市学院 郭 佳

直流电机具有调速性能好、运行效率高、控制简单等诸多优点，在较长一段时期内在电气传动领域一直占据主导地位。但是其机械接触换向器和电刷的存在带来了火花、噪声、电磁干扰以及寿命短等致命弱点，从而限制了其应用范围[1-3]。随着电力电子技术、微电子技术和矢量控制技术的进步，高性能的交流感应电机得到了广泛应用，可有效弥补直流电机驱动系统的不足[4-5]。但交流伺服驱动系统矢量控制需要进行坐标变换，控制算法相当复杂[6]。

因此，寻找一种既具有直流电机控制简单、调速性能好、运行效率高，同时又具备交流电机无电刷、维修方便等优点于一体的新型电机便成为许多科技工作者的任务。随着电子器件和永磁材料的发展，采用电子换相并集上述直流电机和交流电机优点于一身的永磁无刷直流电机一经问世便得到了广泛应用。

本文设计了一款较为常用的永磁无刷直流电机控制器，首先介绍了控制器的相关理论知识，然后重点阐述永磁无刷直流电机控制器的软硬件设计，最后通过试验验证所设计的控制器可成功驱动永磁无刷电机，且运行稳定可靠，满足设计要求。本文对促进永磁无刷直流电机的设计具有一定的指导意义。

1 永磁无刷直流电机控制器理论

永磁无刷直流电机控制器拓扑结构如图1所示，由直流电源Vdc 供电，晶体管Q1～Q6组成三相桥电路，D1～D6旁路二极管为电子换相提供续流。图中ua、ub、uc为控制器各端点相电压，ia、ib、ic为相电流。

图1 BLDC 驱动器拓扑结构

与传统的直流电机依靠碳刷实现机械换相不同，无刷直流电机利用电子换相，需要知道转子的实时位置。电机轴端安装有霍尔传感器，其高低电平变化表征转子的位置，控制器知道转子运行区间后，从而控制6个晶体管输出特定导通状态，依据定子线圈通电产生的磁场，为无刷电机绕组提供三相交变电流，从而驱使电机连续转动，此过程称之换相，表1为电子换相顺序表，其中Ha、Hb、Hc为120°霍尔信号，共有8个状态，000和111不是有效的状态，其余6个状态表征了转子位置所在的电气区间。

表1 电子换相顺序表

2 控制器软硬件设计

2.1 硬件设计

图2为本文所设计控制器的结构示意图，主要包括电源管理模块、单片机模块、三相桥电路及其桥驱等部分。同时，电路中还包括温度传感器，直流电流采样器，直流电压检测器等电子元件，方便单片机实时采样工作信号，有效监测运行状态，保护控制器不受损坏。

图2 硬件设计框图

其中，单片机选用ST 公司32位单片机STM32F030C8T6。该芯片是Arm 架构，M0内核主频高达48MHz，具有多个16位定时器，1个12位模拟数字转换通道，并有特定定时器1为电机控制提供所需六路PWM 信号，价格便宜，能很好契合需求。

三相桥晶体管选用MaxPower 公司的N 沟道MOSFET（增强型场效应管）MXP6003AF。该晶体管具有较低的导通电阻，优越的开关性能，很高的雪崩击穿耐量，室温条件下工作电流高达268A，在电机控制领域有着广泛应用。

桥驱采用的是PT5619芯片。该芯片在同一颗芯片中同时集成了三个90V 半桥栅极驱动器，特别适合三相电机应用中MOSFET 的栅极驱动。芯片还内置了死区时间和上下管直通保护逻辑，可有效阻止半桥电路损坏。同时，先进的高压BCD 制程和内置共模噪声消除技术使得驱动器在噪声环境中能够稳定工作。

温度传感器使用10K 的NTC（负温度系数）电阻，直流电流通过2mΩ 高精密采样电阻获取，电压通过电阻网络分压得到。以上信号皆接入单片机ADC（模数转换）口，以便程序进行处理。

图3为所设计的永磁无刷直流电机控制器。图中可清晰地看到功率部分位于电路板左侧，三相桥电路的6个晶体管整齐排布，走线整洁顺畅。控制部分位于右侧，与功率部分泾渭分明，受干扰小，电路稳定性强。控制器电路板大小仅为50×60mm2，布局较为紧凑，功率密度较高。

图3 无刷直流电机控制器电路板

2.2 软件设计

控制软件在Keil 5中使用C 语言开发，图4为软件程序流程图。

图4 软件流程图

主程序用于完成单片机各外设初始化，然后进入主循环。程序重点在于霍尔信号捕获中断，图4中虚线箭头即为中断服务程序的进入退出方向。在中断服务函数中判断电压、电流、温度是否正常，若有异常，则执行保护程序，关闭PWM 驱动输出，并关停电机退出中断。若运行过程没有异常则根据表1的换相逻辑切换晶体管的导通时序，从而实现电子换相，转动无刷电机。

3 试验结果

表2是所用永磁无刷直流电机的电机参数，额定电压20V，额定转速高达10000rpm，需要较高频率的PWM 驱动，为此须谨慎考虑晶体管的栅极驱动电阻。驱动电阻选择若是过大，PWM 开启关断不够迅速，造成晶体管发热，影响其寿命。驱动电阻过小，则会引起PWM 开关振荡，亦会增大晶体管功耗，严重者可直接击穿晶体管。

表2 电机参数

图5是无刷电机在全速运行时的波形，从上到下依次是控制器a 相电压以及a 相电流。根据波形可快速计算出电机的空载转速在10000rpm左右。

图5 全速相电压相电流波形

图6是无刷电机调速运行时的a 相电压和a 相电流，由图可知虽然调速过程存在开关噪声，但噪声毛刺始终在MOSFET 可承受电压范围内，可见驱动电阻选择相对合理，硬件设计较为可靠。图7是三相霍尔信号Ha，Hb，Hc以及a 相下管驱动波形，对照表1换相逻辑，可见软件编程符合设计理论。

图6 调速相电压相电流波形

图7 三相霍尔信号与a 相下管驱动波形

4 总结

无刷直流电机由于无碳刷、高寿命、易控制等优势深受市场青睐。本文主要介绍了永磁无刷直流电机控制器的设计与实现，所设计的控制器额定电压20V，能够驱动转速10000rpm 的无刷电机。本文从理论到实践设计，再到最后试验验证，充分证明本次设计的科学性与实用性。