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如何设计无刷直流电机驱动器硬件系统

目前,国内外对无刷直流电机(brushless DC motor ,BLDCM)的定义一般有两种:一种定义认为只有梯形波/方波无刷直流电机才可以被称为无刷直流电机,而正弦波无刷电机则被称为永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM);另一种定义认为梯形波/方波无刷电机和正弦波无刷电机都是无刷直流电机。ANSI/IEEE 国际标准100-1984只定义了“brushless rotary machinery”,NEMA标准MG7-1987则将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体,带转子位置信号,通过电子换向控制的自同步旋转电机”,其换向电路可以是独立的也可以是集成于电机本体上的。但迄今为止,还没有一个公认的统一标准对无刷直流电机进行准确的分类或者定义。【无刷直流电机控制系统-贾长亮】无刷直流电机(BLDC)以电子换向器取代了机械换向器,所以无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点,又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。那么在设计无刷直流电机驱动器时,如何设计硬件系统呢?
方法/步骤
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了解无刷直流电机驱动器的基本控制原理。无刷直流电机驱动器包括电源部及控制部如图 (1) :电源部提供三相电源给电机,控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部分可以直接以直流电输入(一般为 24V)或以交流电输入(110V/220 V,380V),如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由逆变桥(inverter)转成 3 相电压来驱动电机。

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一个完整的驱动器还包括其他模块电路以及扩展电路等。1、主控制部分:包括主处理器单元,EEPROM存储电路,模块驱动(PWM)及保护(过流,过压等故障保护)电路,编码器电路,多功能IO电路等2、驱动部分:包括开关电源电路,逆变桥驱动电路,制动电路,采样电路(相电流,母线电压等)3、显示部分:数码管或LCD等显示电路4、通讯:RS232,RS485通讯电路

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各个模块电路的组成及说明。1)驱动部分电路组成:一般驱动电路采用IGBT模块,IPM模块或分立元件(7只功率晶体管)构成的逆变电路连接电机作为控制流经电机线圈的开关。IGBT模块有的集成了三相整流桥。分立元件一般采用IGBT或MOS管(低压居多),逆变桥的三只上管和三只下管加1只制动管共7只功率管。驱动电路隔离方式采用高速光耦隔离,实现PWM控制信号的通断。常用ACPL-W340(ACPL-W343),PC923,PC929,A3120,A316J等2)开关电源电路开关电源电路为驱动电路、风机、控制电路、面板等电路提供系统工作需要的各路低压电源。开关电源主要有以下特点:1,体积小,重量轻:由于没有工频变频器,所以体积和重量吸有线性电源的20~30%2,功耗小,效率高:功率晶体管工作在开关状态,所以晶体管的上功耗小,转化效率高,一般为60~70%,而线性电源只有30~40%。一般根据功率要求,采用不同的拓扑结构实现。由于单端反激变换器在小功率开关电源设计中应用非常广泛,且多路输出较方便,无刷直流电机驱动器中的开关电源主要采用这种电路拓扑结构。3)控制电路组成处理器在无刷电机控制系统中起核心控制作用,需要完成控制功率管开关,检测(转速,电流,角度等),处理(内部管理,算法)等各项工作,这些功能的实现需要计算性能非常好的处理器。处理器的选择一般包括单片机,DSP,STM32等作为主控制器。如我司主要选用STM32 ARM处理器。4) 用户接口显示和通讯,多功能IO输入输出等都可以归入用户接口。显示用来实时显示系统信息,设置参数,实现人机交互。显示一般多采用数码管居多,控制相对简单,成本也较低。(我司驱动器的显示都采用数码管实现)。也有采用LCD显示屏的。在工业现场等场所可以采用RS485通讯,通过上位机操作实现人机互动,设置参数,调速等工作。

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上图图片来源网络,用以说明系统的组成。如有不妥,告知我删除。

注意事项

此处只是系统硬件的一个大框架的设计,细节的东西根据不同需要设计不同。

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