基于cpld的无刷直流电机驱动器设计(毕业论文

基于cpld的无刷直流电机驱动器设计(毕业论文内容摘要：

动方式。 逆变电路的驱动电路：弱电控制强电，接收 CPLD 主控芯片对于各功率管的控制信号 ，生成相应的信号驱动对应的三相桥的功率管。 逆变电路的保护电路：采样检测流过 MOS功率管的电流，防止由于某种原因而使功率管过流烧毁。 CPLD：系统的主控芯片及其基本外设 电源管理：把总电源变换成各模块需要的额定工作电压，分配给各个模块；并包含对电源的过压和欠压检测电路。 人机接口：通过 LED 指示灯，显示系统当前的运行状态；接收用户的控制指令，生成相应的信号传递给主控芯片。 电机的 3 路霍尔输出：直接接入 CPLD 主控芯片 C P L D逆 变 电 路 的驱 动 电 路三 相 桥 逆变 电 路逆 变 电 路 的保 护 电 路电 机 的 3 路 霍 尔 输 出电 源 管 理人 机 接 口B L D C 图 21 基于 CPLD的 BLDC控制器结构框图 10 各模块解析 三相桥逆变电路 逆变电路采用三相六臂全桥结构，其简化的原理图如下图 22所示。 213Q1PWM1213Q2PWM2213Q3PWM3213Q4PWM4213Q5PWM5213Q6PWM6VCCAB C 图 22 三相桥逆变电路原理图 其三个桥臂都是完全相同的结构，通过门极输入的 PWM控制信号，实现每相的 PWM 电压输出，实现对电机的调压驱动。 下面以采用 H_PWM_L_ON 的方式生成 PWM 波，来驱动电机为例，说明电路的工作过程。 这种驱动方式，具体的说是，对于电机的三相连接线 A、 B、 C 端口，其中悬空相端口：与其相 连的两个 MOS 管全部高阻；其中需要高电平的相端口：与其相连的上端的 MOS 管栅极接收 PWM 控制信号，间歇性的导通关断，而另一个下端 MOS 管完全高阻，即是使这相受到电源的 PWM 驱动；而剩下的需要低电平的端口：与其相连的上端 MOS 管高阻，下端 MOS 管完全导通接地。 比如，在 AB 相导通时，给 Q1 栅极的是 PWM 信号，给 Q4 的是完全导通信号（栅极高电平），而其余 MOS 管全部高阻（栅极低电平）。 这样既可通过调节 PWM信号的占空比，调节 AB 相的驱动电压。 但在这存在一个问题，由于电机绕组电感的存在，相电流不能突变，这就导致 在上端的 MOS 管 PWM 周期关短时刻，在 A端将产生很大的逆感应电动势。 故 MOS 中已经集成的这个稳压二极管发挥着延续相电流流动，防止击穿 MOS 管的作用。 对电路实际应用时的几个问题的分析： 11 1） MOS管的选型 P（ positive）沟道 MOSFET 的载流子是空穴，与电子相比，它的‚活动性‛差，且有‚少数载流子生存时间‛短的缺陷，这些都是影响半导体器件性能的重要参数。 通常 P 沟道 FET 的性能较差，他有较高的栅极门限电压、较高的 onR 以及较低的饱和电流 [9]。 所以方案中，采用 全 N（ negative）沟道的 MOSFET 构成逆变桥。 实际选用的型号为 IRFP2907。 2） MOS 管的驱动 在选择全 N 沟道 MOSFET 后，由其工作特性可知，当给栅源极间加一个正向电压，并且其值超过数据手册上的阈值电压 GSV （以 IRFP2907 为例， 100A 的导通饱和电流对应 VVGS 5 ）时 , 场效应管的 D极和 S 极就会导通 (IV特性曲线 )，且一般 N 型功率型场效应管的阈值电压都会在 3~20V 之间。 依旧以 AB 相导通为例，此时 Q1和 Q4 管导通，一般场效应管的导通电阻 onR都在毫欧级，所以 B点的电位近似为 0V， A点的电位就近似为 VCC。 这就使得要驱动这两个 MOS 管， Q1 管的栅极电压要大于（ GSVVCC ）， Q4 管的栅极电压要大于 GSV。 这使得采用 CPLD 端口直驱（或加三极管信号放大直驱）的方式将不可行。 故方案中采用了三片 MOS 管的专用驱动芯片（ IR2181），来驱动各自的 MOS管桥臂。 详见逆变电路 MOS 管的驱动电路。 3） 选用的 IRFP2907 MOSFET 的基本参数： 1. 额定参数（ Absolute Maximum Ratings） 参数名称 最大值 单位 C25T @ I c D 持续漏极电流， 10V @V GS 209 A DMI 漏极峰值电流 840 A C25T @ P CD  功耗 470 W GSV 栅源极击穿电压 20  V 方案实际采用的逆变电路原理图如下图 23所示。 12 213Q1IRFP290710KR310KR720KR51D5IN4744D1HER104D3HER104213Q2IRFP290710KR410KR820KR6D6IN47441D2HER104D4HER104213Q3IRFP290710KR910KR1320KR11D11IN4744D7HER104D9HER104213Q4IRFP290710KR1010KR1420KR12D12IN4744D8HER104D10HER104213Q5IRFP290710KR1510KR1920KR17D17IN4744D13HER104D15HER104213Q6IRFP290710KR1610KR2020KR18D18IN4744D14HER104D16HER104VS1VS2VS3FAULT_1FAULT_2FAULT_3FAULT_4FAULT_5FAULT_6HO1LO1HO2 HO3LO2LO3VCC 图 23 方案实际采用的逆变电路 213Q2IRFP290710KR410KR820KR6D6IN47441D2HER104D4HER104FAULT_2LO1 213Q2IRFP290710KR410KR820KR6D6IN47441D2HER104D4HER104FAULT_2LO1 图 24 构成逆变桥的基本 MOS模块 图 25 MOS管外围驱动电路 从图中不难发现，逆变电路由如图 24所示的完全相同的 MOS 模块构成。 由于电势的相对性，故对于每个模块来说，他们的工作原理也是完全一致的。 故下面只对其中一个做分析 此驱动电路中， MOSFET工作在开关管状态 DSTGS VVV  )( ,可以用 SR开关模型对其建模，结合栅极电容， 可描述为 SRC模型 [10]，如下图 26所示： DSGCGSTGS VV DSGCGSTGS VV 关断状态 导通状态onR 图 26 MOSFET的开关 电阻 电容（ SRC）模型 其中，查表可知，  ， 13 模型也可用代数方式描述为： VV 0 VV TGSTGSONDSDS RVi （ 1） 如图 25 所示，模块中用虚线包围的这部分电路，是驱动 MOS 管的辅助电路。 此模块用 MOS 管的 SRC 模型可等价描述为如图 27 所示的电路。 10KR820KR6D6IN4744LO1CGS 图 27 MOS管外围驱动电路的等效电路 其中各元器件的作用如下： R6的 4 个 作用： 1）防止震荡： 上级的 I/O输出口及连接导线都会带点分布电感，这使得在电压突变的情况下可能和栅极电容 issC 形成 LC 振荡，当它们之间串上 R6后，可增大阻尼而减小振荡效果。 2）减小栅极充电峰值电流： 当栅极电压拉高时，首先会对栅极电容充电，充电峰值电流可大致计算为： Ansns nCtt QI rd( on ) g 410  （ 2） 可见驱动脉冲电流很大，串上 R6后可放慢充电时间而减小栅极充电电流 3）保护 场效应管的 DS极不被击穿： 当栅极关断时， DS从导通状态变为截止状态时，漏源极电压 VDS会迅速增加，如果过快，就会击穿器件，所以添加 R6可以让栅极电容慢慢放电，而不至于使器件击穿。 4）和 IN4744 构成稳压电路，防止 GSV 击穿： 栅源极击穿电压 VVGS 20 ， IN4744 稳压管稳压值 15V。 故可防止由于 MOS管的驱动电路故障或环境静电而损坏 MOS 管。 MOS 管外围的其他的元器件，是 MOS管过流保护模块的对流过 MOS 管电流 值14 的采样电路。 详见逆变电路 MOS 管的过流保护电路。 逆变电路 MOS 管的驱动电路 MOSFET的驱动电路设计不当， MOSFET很容易损坏。 采用成熟的驱动控制芯片IR2181S组成的电路 ，可有效简化系统的复杂性。 IR2181S优点是可靠性高，外围电路简单，兼容 5VLSTTL数字电路静态规则。 浮动驱动端可以驱动 N通道 MOSFET或者 IGBT在高压侧电压 600V时的场合，最大输出电流可达到 （高端） （低端）。 1）芯片结构及原理和典型电路 其主要由：输入逻辑电路，电 平转换器，低端功率晶体驱动管和高端晶体驱动管组成。 结构框图如下图 28所示。 图 28 IR2181的结构框图 其典型电路如下图 29所示。 图 29 IR2181的典型电路 15 2）方案中实际采用电路的分析 如下图 210所示，即为方案中实际采用的基于 IR2181的 MOS管驱动电路。 VCC5HIN1LIN2COM3LO4Vs6HO7Vb8U13IR2181SD32FR107225C24225C27104C33100uF25VC30D29FR107+15VVS1V_HB1VCC5HIN1LIN2COM3LO4Vs6HO7Vb8U14IR2181SD33FR107225C25225C28104C34100uF25VC311D30FR107+15VVS2V_HB2VCC5HIN1LIN2COM3LO4Vs6HO7Vb8U15IR2181SD34FR107225C26225C29104C35100uF25V12C32D31FR107+15VVS3V_HB3U_HinU_LinV_HinV_LinW_HinW_LinHO1LO1HO2LO2HO3LO3 图 210 基于 IR2181的 MOS管驱动电路 不难发现，其由完全相同的三个模块来分别驱动逆变电路完全相同的三个MOS桥臂。 下面以第一桥臂的驱动电路为例，来进行分析说明。 CPLD芯片的两个端口（ U_Hin、 U_Lin）输出对应信号控制桥臂，上下端 MOS管的导通逻辑控制 PWM信号，直接接 IR2181驱动芯片的输出控制端口（ HIN、 LIN输入引脚）。 其中下端 MOS的驱动信号 LO，以地为零电势参考点，驱动桥臂下端的 MOS管栅极，输出的驱动信号幅值大概在 15V左右，满足下端 MOS管的大电流导通要求。 而另一个上端 MOS的驱动信号 HO，以 VS点的电势为零参考点。 当 VS点电势需要从低电势变为高电势时，由于自举电容（ C2 C27）的存在，使得上端 MOS管栅极的驱动信号 HO的电势与源极电势 VS的差，始终维持在 15V左右。 这使得 上端 MOS管满足大电流导通要求。 16 逆变电路 MOS 管的过流保护电路 由于此 BLDC 控制器，在实际的应用中存在逆变桥功率输出线短接等的安全隐患。 从而存在烧毁控制器 MOS 管的可能。 故引入逆变电路 MOS管的过流保护电路，是很有必要的。 1） MOS 管导通电流采样电路： 依旧取逆变桥的基本构成模块，进行分析。 213Q2IRFP290710KR410KR820KR6D6IN47441D2HER104D4HER104FAULT_2LO1 图 211 MOS模块的 MOS。