一种基于msk4310的无刷直流电机控制系统设计-祝恒洋.pdf

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1、49卷第5期 V0149N。5一种基于MSK43 10的无刷直流电机控制系统设计祝恒洋，吴琏，袁倩倩，苗瑞，任林林(西安微电机研究所，西安710077)摘要：本文介绍一种基于MSK4310的无刷直流电机控制系统。对控制系统的电磁兼容滤波电路、电源变换电路、控制及驱动电路、传感器接口电路进行了详细介绍，并对控制系统进行了热仿真分析和可靠性分析，并对控制系统进行了相应的电磁兼容性测试，此控制系统性能满足军用任务需求。关键词：无刷直流电机；控制系统；MSK4300；仿真中图分类号：TM36+1：TF273 文献标志码：A 文章编号：l001684812016)05-0081-04A BrusMess

2、 DC Motor Control System Based on MSK43 1 0ZHU Hengyang，WU Jin，YUAN Qianqian，MIAO Rui，REN Linlin(Xian Micromotor Research Institute，Xian 710077，China)Abstract：A control system for BLDC based on MSK43 10 was introduced in tllis paperThe control systemof the EMC filter circuit，power conversion circuit

3、，control and drive circuit，the interfaee circuit of the sen$or werc introdueed in detailand of the control system were thermal simulation analysis and reliability analysis，the corresponding electromagnetic compatibility test Was carried out for the control systemne performalice of this control syste

4、m meets the requirements of military missionKey words：BLDCM；control system；MSK43 10；simulafionU 引 舌随着近几年我国在军事领域技术的不断发展，无刷直流电机控制系统在载人工程、探月工程、深空探测、飞行控制、舵机控制等领域得到了广泛的应用，缩小了我国在这些领域和国外先进技术的差距。无刷直流电机既有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的特点，又像直流电机一样具有良好的调速特性，且无需机械换向，它还具有体积小、灵敏度高、转矩大、功率密度高、可靠性高等特点，在军工领域逐步替代直流有刷电机、交流异步电机、航空中

5、频电机等传统电机，应用前景十分广阔。本文介绍以专用驱动模块MSK4310为核心的无刷直流电机控制系统的设计，该系统可成功驱动带负载的无刷直流电机稳速运行，从而保证执行机构按要求动作。1 系统组成及工作原理根据实际使用工况，系统主要技术指标为a额定电压：DC(283)V；b在额定电压和额定负载下，工作电流不大于167 A；C额定转速：8900 rrain；d稳速精度：优于l；e输入功率：40 W；f系统效率：I60；g电机连续运行时间：I5000 h；h可靠度：O99经分析，电机本体采用无刷无槽结构，可有效减小齿槽效应引起的转矩脉动，增强电机运行的平稳性；转子采用2对极结构，位置传感器采用开关型

6、霍尔器件，为1200分布；控制系统采用模块化设计，本文所述的无刷直流电机系统组成原理如图1所示。此无刷直流电机控制系统主要有四大功能模块组成：EMI滤波模块、电源变换模块、控制驱动模块、传感器接口模块。电磁兼容滤波电路是为了提高产品的电磁兼容性而设计，使整个控制系统能满足GJBl51A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度收稿日期：20160405作者简介：祝恒洋(1981)，男，工程师，研究方向为微特电机的控制及应用、电力电子及电源变换技术。万方数据舵 t轧 49卷要求的电磁兼容要求；电源变换模块将28 V输入电压转换为控制电路所必需的12 V工作电源；传感器接口电路对电机霍尔位置信号进行滤

7、波、整形处理，得到一组“干净”的电机转子位置信号；控制驱动模块包含了逻辑控制电路、速度合成电路、稳速电路、电流反馈电路、功率驱动模块(其中又包含了栅极驱动电路、逆变桥电路)。系统工作原理如下：电源接通后，逻辑控制电路根据传感器接口电路输出的电机转子位置信号，解析出电机的转子位置，根据无刷电机的工作原理，输出控制信号，通过前极驱动电路推动三相逆变桥，从而使电机三相绕组按工作顺序通电，电机稳速运转。牟图1系统组成原理框图2控制系统的设计本无刷直流电机控制系统采用模块化设计，主要有4大功能模块组成：电磁兼容滤波模块、电源变换模块、控制驱动模块、传感器接口模块。21电磁兼容滤波电路设计在系统中，为满足

8、GJBl51A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求中的电源线传导发射指标，必须在电源人I=I端设计电磁兼容滤波器。本控制系统电磁兼容滤波电路如图2所示。滤波器路采用一级型滤波，El、E2为差模电容，用于抑制差模信号；L1为共模电感，Cyl、Cy2为共模电容，用于抑制共模信号。依据控制系统的最高工作频率、斩波频率以及电机工作频率，经计算，E1、E2选用47心钽电容；L1选用17 mH共模电感；Cyl、Cy2选用22 nF高压瓷介电容。图2电磁兼容滤波电路22电源变换电路设计根据系统控制电路各器件用电规格和功率要求，需将输入的(283)V的输入直流电压转换为12V直流电压供控制器电路使用，消

9、耗电流约为120mA。根据模块化的设计思想，我们采用集成化的DCDC电源变换模块实现此功能，电路原理如图3所示。图3电源变换电路图3中，E3选用47汕F钽电容，DCl选用MSK公司的DCDC模块MSKDAC2812D，C1、C2、C3选用100nF瓷介电容，E4、E5选用47心钽电容。其中，MSKDAC2812D为6 W集成电源模块，具有输入电压范围宽(1150 V)，功率密度高(15Win3)，体积小(254 mm254 mm93 mm)等优点，此模块采用单端反激开关电源拓扑，通过小型高频变压器实现强电、弱电相互隔离和变换，其内部原理如图4所示1。图4 MSKDAC2812D内部电路23控制

10、及驱动电路设计控制及驱动电路为无刷电机控制系统的核心电路，在本设计中此部分功能主要由MSK公司的MSK4310实现，MSK4310是一款集成度很高的无刷电机驱动模块，具有极高的功率密度(300 Win3)和超小的外形尺寸(559 mm33 mill76 mlll)，此模块中包含了传感器解码电路、逻辑控制电路、速度合成电路、电流反馈及限流保护电路、三相逆变桥电路、栅极驱动电路等，加上少量的外围阻容元件，就可以实现无刷电机的驱动控制，MSK4310内部结构如图5所示日J。MSK43 10无刷电机功率驱动模块的具体参数为：最大供电电压为55 V，最大电流为10 A，6路N沟道MOSFET组成三相逆变

11、桥；内部集成了MOSFET的栅极驱动器；集成了无刷电机控制解码电路，可鹾万方数据5期 祝恒洋等：一种基于MSK4310的无刷直流电机控制系统设t 83图5 MSK4310内部结构图实现无刷电机的速度闭环控制，斩波频率典型值为25 kHz；集成了截止型限流保护电路，可通过调整外部电阻设定限流值。其换向真值表如表1所示31。表1 MSK4310真值表HAIJHAI工HALLA0 B0 C0 A0 BO C0A B Cl 0 O H L L Hl l 0 一 H H L H0 1 0 L H H L O l 1 L H H LO 0 1 一 L H H Ll 0 l H L L H l l l 一

12、一 一 一 一 一0 O 0 一 一 一 一 一 一x X X L L L L L L由真值表可以看出，MSK4310适合控制霍尔传感器角度为1200的无刷电机；通过模式选择可以实现电机的正反转。根据无刷直流电机控制系统的指标要求，本设计基于MSK4310的主控原理如图6所示。图中，Uo、Vo、Wo为三相霍尔输入信号，A、B、c接电机三相绕组，Vr为控制系统转速给定电压，Vf为控制系统转速反馈电压，通过PI调节器实现电机的稳速功能。E6、E7选用10p。F钽电容，E8选用470p,F钽电容，C7、C8、C10选用100nF瓷介电容，C9选用100nF涤纶电容；R18选用20K电阻，R19选用1

13、00K电阻；转速反馈电压是和霍尔频率成正比的电压信号，通过C6、R7、R8调整反馈电压放大系数，R7选用36K电阻，R8选用51 K电阻，c6选用lOnF具有温度稳定性好的I类瓷介电容；R17选用3K电阻，将控制系统的限流保护点设置在4A左右。图6控制及驱动电路24传感器接口电路设计传感器接口模块主要接收来自电机三相霍尔位置信号，并对此信号进行滤波、整形处理。然后将此三相霍尔信号传输给控制驱动模块使用。详细电路如图7所示。图7中sa、Sb、Sc为电机三相霍尔位置信号；R1、R2、R3为霍尔集成电路的上拉电阻，选用51 ktl电阻；C7、114、C4组成型滤波对a相霍尔信号进行滤波，根据电机转速

14、及霍尔频率，C4、C7选用1 nF瓷介电容，R4选用1 k1电阻；u2选用CD40106，对霍尔信号进行整形并传输给控制驱动模块；b、C相霍尔信号滤波参数和a相一致。图7传感器接口电路25结构设计为了适应加速度、振动、冲击等力学环境，要求产品结构设计的强度、刚度、安全裕度、电磁兼容和静电防护满足产品的要求，并能顺利通过各项鉴定级试验，控制器采取屏蔽式结构，铝合金材料，控制器电路组件安装于控制器机箱中，电源及信号线通过安装于控制盒上的电连接器引出。机箱表面进行绝缘黑色阳极氧化处理。控制器机箱外形尺寸(LWH)为120 mm1 14 mm58 mm，女图8所示。万方数据鲥 k t机 49卷盖板DC

15、模块 电感箱体图8控制器结构图3控制系统热分析及可靠性分析31控制系统热分析控制器中主要发热元器件是无刷电机功率模块MSK4310，其最大管压降为192 V，流过其电流最大为167 A，则其最大功耗为：Pb=192167=32064 W。MSK4310壳体通过导热绝缘垫直接与控制器底面接触，散热途径良好。为验证功率模块的散热情况，我们在Ansys中对其散热情况进行了仿真，边界条件为控制系统在额定电压下带额定负载工作，环境温度为45。C，自然对流条件。仿真结果如图9所示，由仿真结果可以看出，在45环境条件下，无刷直流电机控制系统在额定负载下工作，机箱的温升在6K左右，MSK4310的温升在9K左

16、右，散热条件良好。图9 MSK4310热仿真结果32控制系统可靠性分析依据GJBZ299C-2006电子设备可靠性预计手册，我们对整个控制器进行了可靠性预计，失效率数学表达式如式1：nAG；= AG耵o) ()；2N(i 1控制系统的总失效率经计算为A cB=AlGB+A12G。=1429654(10一oh)(2)控制器的平均无故障时间(MTBF)为lAGs=699469910h (3)控制器的可靠度按5000 h计算为R：eA=e。1429删m。5000=0992877218 (4)由以上计算可以看出，本控制系统可以满足5000 h寿命要求，也能满足099的可靠度要求。4试验结果及分析控制系

17、统进行了相应的加载试验及电磁兼容试验；图10、图11、图12为控制系统带额定负载运行时的电磁兼容测试结果；表2为6套无刷直流电机控制系统在额定负载下的性能对比。图1 1 28 V电源正线CEl02测试结果图12控柳系统REl02测试结果表2控制系统试验数据(下转第92页)万方数据92 知 49卷(上接第84页)由试验结果可以看出，本文所述无刷直流电机控制系统能满足系统所要求的性能参数；通过稳速控制，稳速精度优于1，且多台控制系统一致性较好；通过电磁兼容性测试，系统电磁兼容性能满足GJBl51A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求中的CEl02、REl02指标要求。5 结语本文所述无刷直流

18、电机控制系统，采用高功率密度集成功率模块方案，大大减小了控制系统的体积和重量，性能指标完全满足军用产品要求，可进一步推广至航空航天、石油化工、工业现场等对产品可靠性要求较高的场合。参考文献1 谭建成永磁无刷直流电机技术M北京：机械工业出版社，20102DAC2800D Series 6W Dual DCDC ConvertersMSKennedyDate Sheet3MSK43 10 3 Phase Brusldess Motor Speed ControllerMsKennedy Date Sheet(上接第87页)变定时常数的方法来改变脉冲频率，达到变速的目的，本例采用89C51单片机，其

19、定时器属于加1定时器，在步进电机加速时，定时常数应增加即常数值大，溢出中断时间快，减速时定时常数应减小01。考虑剪板机的生产实际，为了提高系统的响应速度，避免程序运算耽误步进电机的运行速度，简化程序编制，故采用查表法完成速度控制，查表法就是将加减速曲线离散化，把离散所得的转速序列对应的时间常数序列，做成表格存储在程序存储器中，重置定时常数，实现加减速的快速控制，如图4所示为其加减速控制流程图，为了简化，减速时也采用与加速时相同的方法，取加速的逆过程设计。5 结语文章结合工程技术改造实际进行研究，对板材的全自动剪切生产控制系统进行分析。考虑中小企业的经济性及实际情况，系统采用步进电机控制板料定长

20、，通过分析步进电机负载及匹配情况，设计了步进电机驱动电路，进一步研究了步进电机位置速度控制设计和程序控制流程，并结合实际采用查表方式，来实现加减速的快速控制。经过实际应用验证，本例的全自动剪板机控制效果良好，工人劳动强度大大降低，劳动效率大幅度提高，而且，整个控制系统，采用模块化设计，集成度高，结构简单，成本低，操作方便，且维护方便灵活性，自动化水平较高。参考文献1郭琳全自动切割机单片机控制系统的设计开发D南京：东南大学，20032李东君基于单片机技术的全自动剪板机研制J机械研究与应用，2005(5)：1211233范超毅，范巍步进电机的选型与计算J机床与液压，2008(5)：310-3133

21、244 黄战华等大功率步进电机高低压驱动技术J电力电子技术，2000(4)：31-32，625 汪小平，牛治平PLC在卷取电机供电系统中的应用J电力自动化设备，2000(3)：48-506 夏路易，石宗义电路原理图与电路板设计教程M北京希望电子出版社，20027刘艳霞，桑兆辉基于ARM芯片$3C4510的步进电机加减速控制J机床与液压，2007(7)：180-1818吴永宏，寇子明步进电机数字控制功能的软件实现J山西机械，1999(2)：1617209 袁铮，王海全，孙治国高精度步进电机脉冲分配器设计J电力自动化设备，2005，12：63-6610吴金戍8051单片机实践与应用M北京：清华大学出版社，2002万方数据