一种双供电体制无刷直流电机控制器设计

汤胜林

摘 要：针对需要在两种不同供电电压下工作的油泵电机控制器，本文从设计思想和电路原理上论述了双供电体制下无刷直流电机控制器的设计，并通过试验验证。

关键词：双供电体制 无刷电机控制器 设计

1概述

在野外很多时候需要有一种能同时工作在两种不同直流电压下的电机及控制器，如果设计成两种电机及控制器势必造成浪费，操作上也会很麻烦。因此，设计一种能同时工作在两种不同电压下的电机及控制器很有必要。

某野外作业队的工作环境中同时存在直流工作电压12V和24V，要求分别在两种电压工作体制下，电机能以某种恒定的转速旋转，带动油泵工作，提供稳定流量的燃油。

2 设计思想及原理

针对上述12V和24V两种直流电压体制，电机以28V的单一电压体制进行设计，从电路上实现将不同电压的转换为统一的28V电压体制给电机供电，从而实现双供电体制的电机控制器设计。

首先，采用boost升压电路将12V或24V直流输入电压进行升压，作为直流无刷电机的母线工作电压。一方面，通过输出电压采样反馈给控制电路进行PI调节，调节输出电压；另一方面，通过采样电机的电流反馈给控制电路进行PI调节，调节输出电压。通过调节母线电压实现直流无刷电机的稳速。由专用控制集成电路和高压集成驱动电路组合完成对无刷电机的控制。

3 设计实现

3.1 boost升压电路

该电路将输入12V/24V直流电压升压至28V，实现两种供电电压转换成单一母线电压输出，给无刷直流电机供电。V4、V5防反接，比较器U4D主要功能是实现12V供电电压的欠压保护，当输入电压小于11V时，比较器U4D输出高电平，PWM发生器U2输出关断，升压电路停止工作，此时输出电压与输入电压保持一致，母线电压明显偏低。此时电机转速下降，出油量将明显减少，提醒操作人员更换供电电源（蓄电池）。

当母线电压为24V时，U2输出PWM的占空比为10%左右，当母线电压为12V时，电路U2输出PWM的占空比为40%左右。当供电电压为12V低电压时，为维持输出电压不变，PWM发生器的PWM占空比增加，此时升压电路中的功率管V8导通时间增加，功率管功耗会明显增加，因此，该功率管须采取良好的散热措施。

3.2 驱动控制电路

由boost升压电路输出的28V电压作为母线电压给功率驱动电路供电，驱动无刷电机工作。

由于该电机的功率约为250W，在12V供电电压下，工作电流超过20A，因此采用双N型功率驱动电路。控制电路采用电机控制专用集成电路MC33035和单片驱动集成电路IR2130组成，对电机进行控制，可实现电机正、反转，调速，过流保护功能。采用驱动电路IR2130则省去了隔离驱动所需的3路独立电源，简化控制方案及产品的体积。

无刷直流电机专用控制芯片（MC33035），具有使能控制（启动或停止）、正反转控制和能耗制动控制功能，内部测速器构成闭环调试系统。具有过流保护、欠压保护等功能。

单片驱动集成电路（IR2130），集控制电路、电平转换、低阻抗输出和识别保护等为一体，不仅能承受600V的高压，而且能允许地线瞬时达5V。自举技术使该电路能够悬浮驱动功率场效应管，避免采用多路电源转换器的隔离驱动方法，大大减小了产品的体积。

电路IR2130采用了自举技术，自举电容能够以一定的频率进行冲动及放电。而且只有在上桥臂功率管的源极电位低于充电电源电压时才能够进行充电。因此，上桥臂功率管采用自举电路形式驱动时，应采用上桥臂换相逻辑调试方式。在启动过程中，当上桥臂功率管处于关断状态时，能形成自举电容的充电通路，完成启动过程。

电机工作在油中，压力信号从电机本体部分反馈，用于调节电机的转速。当电机电流过大时，电流采用信号反馈给升压电路的控制器调节28V母线电压，也可以调节电机转速。

控制电路使用了IR2130的过流保护功能，即当电机过流时，IR2130输出关断，需要重新加电时才可以工作。电机电流采样后的电压，经一级放大后作为过流保护输入信号，再经过一级放大后作为28V母线电压的反馈电压信号。这两处的放大参数需要合理调整，保证母线电压的反馈电压信号始终作用在过流保护电压信号的前面。过流保护电路的参数通过调试确定，在电机启动时电流较大，需保证启动时不会因过流保护而使IR2130输出关断。

电机在两种供电电压体制下的工作电流如下表：

4 结束语

本文采用boost升压电路将两种不同规格的供电电压转换为单一的直流电压给无刷电机供电并结合电机控制电路对电机转速进行控制。对于需要在两种供电电压体制下工作的无刷电机来说，本文提出了一种较好的解决方案。

参考文献：

1. 郑琼林 耿文学 电力电子电路精选 北京：电子工业出版社 1996年10月第一版

2. 集成电路手册分编委会 集成电路数据手册 北京：电子工业出版社 1989年5月第一版

3. 孙立志 PWM与数字化电动机控制技术应用 北京：中国电力出版社2008年1月第一版