毕业设计论文-基于freescale_mkv10z32的三项无刷直流电机驱动器

毕业设计论文-基于freescale_mkv10z32的三项无刷直流电机驱动器内容摘要：

率管 PWM0 连接到电源正极电机的 V相端通过功率管 PWM3 连接到电源地。 图 13 三相桥驱动电路 基于 Freescale MKV10Z32 单片机的三相无刷直流电机驱动器 5 无刷直流电机转子位置的检测 通过前文可知，依次换相可以实现电机的转动，且相序和电子转子的位置 有关，正确的换相可以使电机更加平稳高效的转动，所以换相的重点就在转子位置的检测。 在无刷直流电机控制过程中常见的转子位置检测分为“有传感器检测”和“无传感器检测”两种，即所说的“有感驱动”和“无感驱动”。 本次毕业设计采用的是“有传感器检测”，即把 3 个开关型霍尔传感器呈 120 度分布在电机底端。 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场 传感器。 电机转动过程中三个霍尔传感器的电平变化如图 14 所示。 图 14 霍尔传感器信号 该方法最重要的就是得出三个霍尔传感器的输出值和电机通电相序的对应关系表。 这里可以采用固定通电相序，实时读取霍尔传感器的方法确定，霍尔输出值和电机通电相序的对应关系。 该方法分为三步：首先，按照某一相序给电机其中两相通较小的电压，并保持通电，这时电机会转动到该相序对应的转子位置，霍尔传感器将会输出与转子位置对应的值，如此按照下一相序给电机通电并保持，再记录霍尔输出值，就可以记录所有相序下霍尔的输出值；然后，改为手动转动电机，依次记录霍尔传感器的输出值；最后，将第一 步中得到的相序和霍尔输出值与第二步中得到的霍尔传感器的顺序输出值对应到一起。 该方法最终得出的转子位置、通电相序和霍尔传感器的关系如表 11 所示。 基于 Freescale MKV10Z32 单片机的三相无刷直流电机驱动器 6 表 11 霍尔传感器输出编码表 当前相 输出码（ WVU） 当前相序 T1 001 2 T2 011 3 T3 010 4 T4 110 5 T5 100 6 T6 101 7 无刷直流电机的速度控制 电机的速度控制最基本的可以分为正反转控制和转速控制。 而无刷直流电机的正反转控制则是由换相顺序决定， 改变换相次序，即可改变电机正反转。 速度控制采用脉冲宽度调制。 即通过改变电机三相端的有效电压从而改变电机线圈的电流大小，由左手定则可知，转子所受力矩和电流大小有关。 “脉冲宽度调制”英译为“ Pulse Width Modulation”，下文简称为 PWM 控制。 PWM 控制又分为“开环控制”和“闭环控制”。 开环控制就是直接在电机的三相端直接加载固定占空比的脉冲。 但是开环控制缺点就是受外界因素干扰大，所以本次设计采用了 PID 算法进行闭环控制，具体原理会在下文介绍。 采用 PID 速度闭环控制实时性好，抗干扰能力强， 尤其是在负载变化时依然可以保持一个恒定的转速。 基于 Freescale MKV10Z32 单片机的三相无刷直流电机驱动器 7 2 无刷直流电机驱动器的硬件设计 图 21 是驱动器的整体框图，驱动器应该具备以下功能：  功率开关管三相桥电路，通过正确换相，驱动电机运转；  功率开关管驱动电路，提供足够的栅极开启电压，使功率开关管开启、关断；  MCU及其外围电路，控制功率开关管驱动电路，驱动三相电桥正确换相；  有传感器转子检测电路，通过霍尔传感器检测电机转子位置；  电源输入电路，为输入电源滤波稳压，防止电路过流、过压，防反接；  电源转换电路，提供 MCU、驱动电路、检测电路的 电源。 M CUU A R TPW MGPI O电 源功率管驱动三相桥驱动电 源功率管驱动三相桥驱动 图 21 整体框图 电源电路 本次毕业设计采用的是直流 24V输入电源供电，由于各个模块电路所需电压不同，比如 MCU 需要 ，而功率管驱动电路需要 15V供电。 所以需要进行 DCDC 转换。 电源输入电路 电源输入电路部分有防浪涌电压，群脉冲和改善 EMC 作用。 主要有压敏电阻，瞬态电压抑制二极管，共模电感，以及保险管组成，电路如图 22 所示。 基于 Freescale MKV10Z32 单片机的三相无刷直流电机驱动器 8 图 22 电源输入电路 电源输入电路中元件的作用及选择如下： 压敏电阻：在供电网络中，电网波动、大功率设备起停或是雷击都有可能造成瞬时浪涌 过压。 压敏电阻通过过压瞬间的电阻急剧降低，将电压迅速拉低，来防止这种过电压对后级电路的影响。 因为这里的供电电源是 24V，电路中使用的压敏电阻的压敏电压为 30V。 当过电压超过 30V时，压敏电阻起电压抑制作用。 瞬态电压抑制二极管：和压敏电阻类似主要是防止浪涌过压，但是瞬态电压抑制二极管由于开关速度更高，能抑制瞬时脉冲过压。 这里瞬态电压抑制二极管的反向导通电压也是 30V。 保险管：防止驱动板短路过流，当系统发生短路时，电流异常增大时，保险管将烧断，达到保护电路板不受过流损坏。 由于电机的额定电流大约为 ，这里保险管的过流保护电流为 5A，留有一定的瞬时过流余量。 二极管：防反接，当电源意外接反时，由于二极管的单向导通性，电源将不能导通，从而避免了后级电路的意外损坏。 电源稳压模块 在电压转换中，采用了 2 片 LM2596 稳压芯片，将 24V的电源输入分别稳压至 15V和 5V。 15V用来给功率管驱动电路供电， 5V给霍尔传感器供电和 MCU 供电。 具体电路如图 23 所示。 基于 Freescale MKV10Z32 单片机的三相无刷直流电机驱动器 9 图 23 电源稳压电路 LM2596 系列是德州仪器（ TI）生产的 3A电流 输出降压开关型集成稳压 芯片 ，它内含固定频率振荡器（ 150KHZ）和基准稳压器（ ），并具有完善的 保护电路 、电流限制、热关断电路等。 利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电 路。 三相桥驱动模块 图 24 三相桥驱动电路 功率开关管选择 选择功率管时，首先要考虑无刷直流电机的功率参数。 本设计中所要驱动的无刷直流电机额定电压为 24V，功率 50W，即在额定电压下，电源所提供的电流约为 2A。 这里基于 Freescale MKV10Z32 单片机的三相无刷直流电机驱动器 10 选择的功率管型号为 IRLR024N场效应管，其参数为：最大耐压值 VDS = 55V，导通阻抗 RDS(on) = ，最大电流 ID = 17A，完全能够满足设计需求。 这里需要注意，为了减少功率管发热，减小功率管功耗，应尽量选择导通阻抗较小的功率管；漏源极最大耐压值和漏极最大导通电流均需要能够满足电机的驱动要求。 功率管的另外一个重要参数是栅源极电压，即场效应管的开启电压。 查阅数据手册可得，此种场效应管的开启电压为 216V。 开启电压越高时，漏极可导通电流越大。 由于功率管的开通和关断是由 ，开 启电压 ，漏源极可导通电流不足以驱动电机正常运行。 所以这里对场效应管的驱动应选择适当的驱动电路，为其提供较大的开启电压，保证为电机供应较大的电流。 对于功率开关管的驱动电路，将在后续章节介绍。 对于三相桥电路，还有一点需要注意，三相桥中的同相上下半桥在任意时刻都不能同时导通。 如果同时导通，由于场效应管的通流能力较大，上下半桥类似于短路，较大电流通过可能烧毁场效应管。 这就需要在驱动电路或是程序编写时，注意防止上下半桥的同时导通。 三相电桥外围电路 如图 24 中， D5 为 30V的瞬态电压抑制二极管，用于吸收电机的三相线圈电感在电机频繁换相时，产生的开关脉冲，防止对电源和其他敏感低压数字电路的干扰，甚至严重时对其他电路模块的损坏。 电容 C25 用来滤除高频干扰。 电阻 R36 为电流采样电阻，把电流转换成电压输送给电流信号处理电路处理，最后反馈到单片机进行计算、控制。 功率管驱动模块 三相桥中的六只功率管需要在单片机的控制下，进行正确的换相，来驱动无刷直流电机转动。 但是 MKV10Z32 单片机输出电压为 ，而功率管的栅源极电压必须到达一定值才能提供较大的电流，让电机正常运行。 为了使功率 管能完全导通，必须保证VGS12V。 为了保证这个电压条件，需要为功率管提供驱动电路。 本设计中使用高压栅驱动芯片 IR2101，利用泵电容充放电原理实现三相桥电路中某一相上下半桥功率管的各基于 Freescale MKV10Z32 单片机的三相无刷直流电机驱动器 11 自开关。 其驱动电路如图 25 所示，图中只列出了对三相桥 V相的驱动电路，其他两相与此类似。 图 25 IR2101 驱动电路 一、 高压栅极驱动芯片选择 IR2101高压栅极驱动芯片。 它有以下三个主要的特性： 具有防止上下桥臂同时导通的功能，当上下桥都输入有效时，能自 动关断上下桥臂。 我们从上一小节知道三相电桥的同相上下半桥是不能同时导通的，否则较长时间的同时导通将造成功率开关管导通极大电流，这将烧毁功率管。 此芯片能在上下桥同时切换导通时，自动添加 100ns死区时间。 当控制端控制上下半桥同时导通时，两个功率管控制输出端都将保持低电平。 该芯片可提供 1020V的驱动电压。 本设计中三相桥选用的功率开关管驱动电压在12V左右时，可通过的电流就完全能够满足电机的驱动电流要求。 所以该芯片能满足驱动功率管的要求。 该芯片控制端能兼容 5V逻辑电平。 各种类型的单片机均可用 来控制。