諧振直流環(huán)節(jié)逆變器驅(qū)動無刷直流電機BLDCM的控制器設(shè)計
賀虎成
（西安科技大學電氣與控制工程學院，西安710054）
摘要：根據(jù) 無刷直流電機( BLDCM)的脈寬調(diào)制(PWiVI)特點和諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(RDCLI)的工作原理，利用脈寬調(diào)制專用集成芯片和復雜可編程邏輯器件( CPLD)，設(shè)計了新型并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)軟開關(guān)逆變器驅(qū)動無刷直流電機的PWNI控制器。數(shù)字仿真和實驗結(jié)果表明，設(shè)計的控制器實現(xiàn)了諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的正常工作和無刷直流電機的PWM調(diào)制運行。 關(guān)鍵詞：無刷直流電機；諧振直流環(huán)節(jié)；PWM；控制器
中圖分類號：TM36 +1; TM302 文獻標志碼：A 文章編號：1001-6848( 2010)06-0059-04
0引 言
無刷直流電機( Brushless DC Motor，BLDCM)以其體積小、重量輕、效率高、特性好、響應(yīng)快等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。然而，無刷直流電機通常采用硬開關(guān)逆變器驅(qū)動，硬開關(guān)逆變器的系統(tǒng)效率較低，開關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)力大，開關(guān)器件開通和關(guān)斷瞬間的電壓和電流尖峰可能使器件的運行軌跡超出安全工作區(qū)，從而導致開關(guān)器件的損壞，影響系統(tǒng)的可靠性。因此，硬開關(guān)逆變器嚴重地影響了BLDCM系統(tǒng)性能的進一步提升。
諧振贏流環(huán)節(jié)軟開關(guān)逆變器( 簡稱RDCLI)作為一種有效的解決途徑，研究已產(chǎn)生許多拓撲和控制方法，但這些拓撲仍存在一些不足，諸如開關(guān)器件電流電壓應(yīng)力較高、控制比較復雜、直流母線中點電壓平衡問題等。
文獻[5]提出了一種新型并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)軟開關(guān)逆變電路。該新型軟開關(guān)變換電路具有這些優(yōu)點：
①諧振網(wǎng)絡(luò)無諧振閾值限制；
②諧振過程所用的時間較短，消耗功率較小；
③逆變橋的續(xù)流二極管實現(xiàn)了軟性關(guān)斷，克服了反向恢復問題；
④可以實現(xiàn)PWM控制且方法簡單，便于工程實現(xiàn)；
⑤省去了阻流環(huán)節(jié)的大電容，無中點電位不平衡問題；
⑥功率器件具有棱小的開關(guān)應(yīng)力；
⑦逆變橋開關(guān)操作均為零電壓開關(guān)( zvs)，諧振單元的開關(guān)器件操作為zvs或零電流開關(guān)(zcs)。
文獻[6]提出了該新型諧振直流環(huán)節(jié)逆變器在無刷直流電機應(yīng)用中的控制策略。本文在文獻[5-6]的研究基礎(chǔ)上，探討該新型諧振直流環(huán)節(jié)逆變器在無刷直流電機中應(yīng)用的PWM控制器實現(xiàn)。
1新型諧振直流環(huán)節(jié)軟開關(guān)逆變器
新型諧振直流環(huán)節(jié)軟開關(guān)逆變器的拓撲電路如圖1所示，包括直流電源、諧振單元、三相電壓源逆變器和電機。
為了便于后續(xù)分析，先簡單介紹軟開關(guān)逆變器的工作原理。逆變器過渡狀態(tài)的等效電路如圖2，電壓和電流的參考方向如圖中標定。圖3為逆變器狀態(tài)過渡期間一個開關(guān)周期的動作波形，圖中dUl、dU2、dU3分別為輔助開關(guān)V1、V2、v3的驅(qū)動信號，uc為電容Cr兩端的電壓，即直流環(huán)節(jié)或直流母線電壓，ucl、uc2分別為電容C1、C2兩端電壓，i為諧振電感電流，恒流源I0為等效負載電流，TD/為等效續(xù)流二極管。新型諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的一個完整PWM開關(guān)周期由十個階段構(gòu)成。
假定這是電路的初始工作狀態(tài)，V2，V3斷開，V1導通，電源E經(jīng)V1向負載提供電流。
模式b[t1-t2]
t=t2時，PWM關(guān)斷信號到來，在zvs條件下直接關(guān)斷開關(guān)V，，同時zcs條件下開通V3。
模式c[t2~t3j
T=t2時，直流母線電壓諧振下降到零，負載電流I0流過續(xù)流二極管TDi，同時，因二極管D1的導通，阻止了諧振的進行，電容不能反向充電，電感L1、開關(guān)管V3和二極管D1自形成回路，使電感電流為恒值。此時可zvs條件下軟關(guān)斷V3。電感和電容C1發(fā)生諧振，電容C1被充電電壓升高，電感電流下降。
模式(l[t4~t3]
t= t3時，諧振中止，電感電流轉(zhuǎn)換到二極管D2，向電源回饋能量，使電感電流迅速減
小為零。
模式e[ t4~她]
在t4 - t5階段，逆變橋續(xù)流二極管和負載電流構(gòu)成回路，和傳統(tǒng)的逆變器工作狀態(tài)相同。在t2-t3階段直流環(huán)節(jié)電壓為零，逆變橋開關(guān)器件可以完成一次zvs開關(guān)過程，等開關(guān)過程結(jié)束后，進行母線電壓回升。
模式5[t5~ t6]
t=t5時，zcs下開通V2，則電感電流正向線性增加，并通過逆變橋開關(guān)向負載供電，使流過續(xù)流二極管的電流線性減小。
模式t[ t6~t7]
t= t6時，電感電流和負載電流相等且繼續(xù)增加，使TDi軟關(guān)斷。電感電流一部分和負載電流保持平衡，另一部分使得電感和電容Cr、C1發(fā)生自然諧振，電容Cr電壓上升，電容C1電壓下降。
模式h[t7~t8]
在諧振過程中，直流母線電壓上升至電源電壓下，即t=t7時，二極管D6導通，限制了直流母線電壓的迸一步增加。此時可zvs開通V1，同時zvs關(guān)斷V2，電感與電容C2發(fā)生諧振，使電容C2充電。
模式j(luò)[t8~t9]
t=t8時，使得二極管Ds導通，電感向電源饋能。電感電流等于負載電流時，饋能過程結(jié)束。
模式j(luò)[t9～t1O]
t=t9時，二極管D6關(guān)斷，直流電源經(jīng)V，向負載補充電流，直至k(t)=0，此后負載電流全部由電源提供。
當t=t10。時，電感電流i(tlo) =0，電路狀態(tài)又回到模式a，完成一次PWM運行。
2 RDCLI驅(qū)動無刷直流電機的PWM控制
無刷直流電機PWM調(diào)制控制的實質(zhì)可以概括為：PWM調(diào)制導通階段，直流電源通過逆變器向電、機傳輸能量，電機相電流增加，電磁轉(zhuǎn)矩增加。PWM調(diào)制關(guān)斷階段，無刷直流電機通過逆變器的續(xù)流二極管形成續(xù)流回路，因電樞反電勢的存在使得電機相電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩減小。
為了獲得無刷直流電機的PWM調(diào)制特性，諧振直流環(huán)節(jié)驅(qū)動無刷直流電機的PWM調(diào)制算法如圖4所示。三相逆變橋僅完成無刷直流電機的換相功能，不進行PWM高頻調(diào)制。
PWM信號下降沿，直接關(guān)斷開關(guān)v，，并同時開通開關(guān)V1，則由諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的工作原理可知，直流環(huán)節(jié)電壓將諧振到零并保持為零，電機電流通過逆變橋續(xù)流二極管形成續(xù)流回路。控制選擇1可通過兩種方式實現(xiàn)，一種為時序控制，V1管的導通時長固定。另一種為監(jiān)測控制，檢測直流環(huán)節(jié)電壓，當直流環(huán)節(jié)電壓下降到零后關(guān)斷V3。
PWM信號上升沿時，直接開通開關(guān)V2，則由工作原理可知，直流環(huán)節(jié)電莊將諧振到直流電源電壓，之后開通開關(guān)V，并同時關(guān)斷v7，則直流電源通過V1向電機傳輸電能。控制選擇2同樣可通過兩種方式實現(xiàn)。
3 RDCLI驅(qū)動無j直流電機的PWM控制器實現(xiàn)
3.1控制器功能
首先，控制器要能根據(jù)無刷直流電機的位置反饋信號實現(xiàn)電機的正常換相；其次，要實現(xiàn)諧振直流環(huán)節(jié)的正常運行；最后，要能實現(xiàn)無刷直流電機在硬開關(guān)和軟開關(guān)逆變器驅(qū)動下的PWM控制。
3.2系統(tǒng)設(shè)計原理
根據(jù)無刷直流電機和諧振直流環(huán)節(jié)的工作原理，本文確定了如圖5所示的控制框圖。逆變器為新型諧振直流環(huán)節(jié)拓撲，功率開關(guān)器件選用了MOSFET。控制電路功能主要由芯片SC3525和CPLD完成，實現(xiàn)PWM調(diào)制、時序控制和換相邏輯綜合等。驅(qū)動電路選用了IR2130和IR2103芯片。無刷直流電機的額定電壓24 V，極數(shù)為4。
3.3控制電路設(shè)計
控制電路的PWM信號由集成芯片SG3525實現(xiàn)，SG3525是頻率固定的集成脈寬調(diào)制芯片，內(nèi)部由基準電壓、振蕩器、誤差放大器、比較器、PWM鎖存器、分相器、欠電壓鎖定器、輸出級、軟起動及關(guān)閉電路等組成。脈寬調(diào)制電路如圖6所示，R1用于電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定，R3確定系統(tǒng)的PWM頻率。
PWM調(diào)制、時序控制和換相邏輯綜合等由MAX7000S系列器件EPM7128SL84完成，可對軟開關(guān)運行、硬開關(guān)運行、停車以及保護信號進行邏輯處理，輸出逆變器相應(yīng)開關(guān)器件的控制信號。
3.4控制器的時序仿真
為r驗證設(shè)計的正確性，在MAX+ PLUSⅡ環(huán)境下進行了仿真。軟開關(guān)運行狀態(tài)的仿真波形如圖8所示，由圖可知，當/ssw信號出現(xiàn)負脈沖后，逆變橋控制信號T1、T2、T3、T4、T5和T6工作在換相頻率；在PWMO信號的上升沿，V2控制信號出現(xiàn)一段時間的高電平，后V2變低而同時V1變高；在PWMO信號的下降沿，V1控制信號直接變?yōu)榈碗娖剑瑫rV1變?yōu)楦唠娖讲⒊掷m(xù)一段時間；由于PSEL為高電平，所以PWMO測試信號為PWMI。
硬開關(guān)運行狀態(tài)的仿真波形如圖9所示，由圖可知，當HSW信號出現(xiàn)負脈沖后，逆變橋控制信號T1、T2、T3、T4、T5和T6工作在PWM斬波頻率；V1、V2、V3控制信號都為低電平，在主電路中用短接線將開關(guān)器件v1短接，則此時無刷直流電機將運行于雙斬方式；由于PSEL為低電平，所以PWMO測試信號為PWM1和PWM2的或。
上述結(jié)果和預期要求完全一致，說明了設(shè)計是正確的。然后在MAX+ PLUSⅡ環(huán)境下對器件下載程序，驗證控制器功能。
4實驗結(jié)果
實驗結(jié)果如圖10所示。其中，圖IO(a)和圖lO(b)給出了l5 kHz開關(guān)頻率時直流環(huán)節(jié)開關(guān)器件的控制信號，與諧振直流環(huán)節(jié)的工作原理及數(shù)字仿真一致。
圖10(c)為20 kHz開關(guān)頻率時直流環(huán)節(jié)電壓與電感電流的實驗波形，由圖可知，負向電感電流使直流環(huán)節(jié)電壓諧振到零，正向電感電流使直流環(huán)節(jié)電壓諧振至電源電壓，符合新型諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的工作原理。
圖10(d)力用WT3000測得的無刷直流電機電流波形，從波形中可以看出，無刷直流電機的電流波形較好，完全按設(shè)定的三相六狀態(tài)120度運行，說明了設(shè)計的控制器是可行的。
5結(jié)論
利用CPLD和SG3525設(shè)計了諧振軟開關(guān)逆變技術(shù)應(yīng)用于無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的PWM控制器，使用MAX +PLUSⅡ?qū)PLD所實現(xiàn)的諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的控制功能進行了仿真軟件仿真和實驗結(jié)果均證明輸出波形穩(wěn)定、精確。CPLD的使用使控制器具有電路簡單緊湊、響應(yīng)速度快、調(diào)試方便和集成度高等特點。
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