直流无刷电机PWM驱动芯片设计

要求。二是采用专用的电机驱动控制芯片。这种专用集成电路针对专门的电机应用环
境开发出来的，具有很高的安全可靠性。减少了外围电路，使系统面积得以缩小，降
低了控制部分的设计难度。两者配合使用，一方面降低算法的复杂性，并可以缓减ＭＣＵ
中比较紧张的Ｉ／Ｏ口使用资源。一方面利用ＭＣＵ灵活的数字处理更加有效的控制电机
高性能的专用环境下的芯片新产品也不断涌现。如日本三洋公司推出的三相无刷
军事，医疗器件，交通工具等各个领域【３１。特别是在家用电器领域，据统计家用电器电
子驱动电机以每年约３０％的增幅发展，由于家用环境下，需要电机具有功率高，低噪
声，工作可靠，运行寿命长，重量低，价格适合等条件。而这正符合直流无刷电机的
工作特点。例如现在空调行业提出的最新能耗指标，使许多公司开始普遍采用直流无
调制波的波形由三要素确定，幅度，相位和频率。本文先理论分析了调制波的函数 表达式，接着研究了三要素量在电路上的信号体现方式，最后结合三要素的信号表达 采用电阻网络拟合出调制波。调制波在与芯片内部生成的三角载波进行比较，比较后 的脉冲波作用到三相全桥逆变器电路，从而实现了对电机转速，转向的控制。
另外，这种调制方法在电机起动，改变转向时不起作用，所以又采用了方波ＰＷＭ 调制作为补偿调制方式，方波ＰＷＭ采用两两通电方式。
Ｓｉｎｃｅ ｔｈｉｓ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｄｏｅｓｎ’ｔ ｗｏｒｋ ｗｈｅｎ ｗｅ ｓｔａｒｔ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｓｔｅｅｒｉｎｇ，ｗｅ ｕｓｅ ｔｈｅ ｓｑｕａｒｅ ｗａｖｅ ＰＷＭ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ． Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｅｎｅｒｇｉｚｅｄ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｑｕａｒｅ ｗａｖｅ ＰＷＭ．
方面伺服电动机占优，但在电机效率，速度，稳定性，最高转速方面两者相差不大。
最主要的是无刷电动机价格优势很大，要便宜１／３。 表１－１无刷直流电动机与异步电动机主要特性比较【２】
无刷直流Байду номын сангаас动机
异步电动机
转速范围Ｊｒ／ｍｉｎｉ 转速比
８０．４０００ １：５０
２００．２４００ １：２０
最大输入电流（惯性负载）
刷电机作为风机控制部分ｌｌＪ。
伴随着无刷直流电机的广泛应用，无刷直流电机的控制技术也得到了飞速发展。
对电机的控制一是采用ＤＳＰ，单片机或嵌入式对电机过来的信号进行在线数字化计算
处理，然后输出所需的脉宽信号到逆变器，控制电机的运行。这种方法非常灵活，能
实现各种调制波，以及复杂的智能调节。但是对ＭＣＵ部分的控制算法提出了很多设计
Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｍｏｄｕｌｅ’ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒｍ， ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｔｅｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｂｙ Ｃａｄｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｅ ｔ００１．Ｔｍｓ ＩＣ Ｗａｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ
ｒｅｌｉａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｈａｌｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｐｏｐｕｌａｒ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ．Ｔｌｌｉｓ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｃｈｅａｐ ｂｕｔ ｉｎａｃｃｕｒａｔｅ ｉｎ ｔａｒｇｅｔｉｎｇ ｌｏｃａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ
西南交通大学 硕士学位论文 直流无刷电机PWM驱动芯片设计 姓名：曾泫鸿 申请学位级别：硕士 专业：计算机系统结构 指导教师：靳桅
201205
西南交通大学硕士研究生学位论文
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摘要
随着节能减排的严峻，无刷直流电动机以其高的电机效率，宽调速比，可靠的运 行，得以广泛的应用。现在市面上流行的主要是带霍尔位置传感器的电机。这种传感 器价格低廉但位置定位不是很精准。为了提高这类电机的控制能力，本设计采用了开 关损耗最小ＰＷＭ调制。相对常见的方波ＰＷＭ调制，显著降低了绕组电流的谐波分量， 提高了运行的稳定性。另外相对于一般的正弦波调制（ＳＰＷＭ），开关损耗减少了１／３， 线电压输出能力提高了２／ｘ／３倍。
ｋｉｎｄ ｍｏｔｏｒ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ＵＳｅＳ ａ ｍｉｎｉｍｕｍ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｌｏｓｓ ＰＷＭ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ、析ｔｌｌ ｔｈｅ ｓｑｕａｒｅ ｗａｖｅ ＰＷＭ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｍｅｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｎｅ ｗａｖｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＳＰＷＭ），ｔｈｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｌｏｓｓｅｓ ｒｅｄｕｃｅ ｂｙ ｏｎｅ－ｔｈｉｒｄ，ｔｈｅ ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅ ２／Ｗ ｔｉｍｅｓ．
１．２国内外研究现状分析
电机驱动的研究，调制方式最先是方波ＰＷＭ调制，又从方波三三导通方式变化 到一般的正弦波ＰＷＭ调制（ＳＰＷＭ），在到ＳＰＷＭ中加入不同谐波分量的调制，这引 入许多侧重点不同的正弦ＰＷＭ调制，如马鞍波ＰＷＭ调制，开关损耗最小（ｍｉｎｉｍｕｍ ｓｗｉｔｃｈ ｌｏｓｓｅｓ）ＰＷＭ调制（ＭＳＬ．ＰＷＭ），发展到现在常用的空间矢量调制（ＳＶ】？ＷＭ）。 正弦ＰＷＭ调制是从电源的角度出发生成可调频调压的正弦波电源，而ＳＶＰＷＭ则是 从磁链的角度，通过开关管的不同导通组合生成８个基本的空间电压矢量，利用电压 矢量形成实际磁链矢量，并追踪电动机定子的理想磁链圆轨迹。这两类调制之间存在 一定的联系和转换。相对来说，ＳＶＰＷＭ更能降低电机转矩脉动，并提高直流母线电 压的利用率和易于数字处理。控制系统由最早的比例一积分一微分控制器（ＰＤ），到现在 智能控制系统，如神经网络，模糊控制【５～。对各种方式下的转矩波动都有学者进行了 深入的分析研究。
—量曼曼舅舅Ｉ ＩＩ曼曼曼曼曼皇曼舅曼量量曼西曼皇南量交曼曼通曼曼大曼量学曼硕曼曼士曼曼研曼曼究曼生曼曼学曼量位曼曼论曼文曼曼量曼曼曼量曼鲁曼舅曼曼曼曼曼第曼１曼Ｉ曼页曼曼
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｍｏｒｅ ｓｅｖｅｒｅ ａｎｄ ｇｒｉｍ， ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ Ｗａｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｗｉｍ ｌｌｉｇｌｌ ｍｏｔｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｗｉｄｅ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒａｔｉｏ，
Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ，ｗｅ ｔａｋｅ ｔｈｒｅｅ ｍｅｔｈｏｄｓ： ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｌｅａｄｉｎｇ ａｎｇｌｅ，ｄｅａｄ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｓｏｍｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ．
其耗电量约占工业总耗电量的６０％以上，其中交流电动机占９０％。电机及其系统的节
能工作被列入我国《节能中长期规划》，《十大重点节能工程》。无刷直流电动机与变频
器控制的异步电动机相比，如表１．１。在电动机效率，温升，转速变化率，电机速度控
制稳定性等方面有较大优势。与伺服电动机相比，在起动转矩，最大惯性，高精度性
为了整体的安全性和功能完善性。加入了超前角的调节，死区时间和一些保护电路。 本文定量分析了各模块的实现原理和电路形式，采用１０Ｖ ０．３５Ｉ．ｔｍＢＣＤ工艺实现电 路，并使用Ｃａｄｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｅ工具完成的电路功能的仿真和验证。
关键词：电机驱动芯片；直流无刷电动机；开关损耗最小ＰＷＭ；正弦波调制
３Ａ
７Ａ
温升（额定状态）
１５．８０Ｃ
３５．６０Ｃ
温升（断续状态）
７．５０Ｃ
１４．８０Ｃ
转速变化率（对负载） 转速变化率（对温度）
±０％ ±０％
．３７．６％（最大） －２２．３％（最大）
故近年来，电流无刷电机在实际生活中得到了广泛应用，已随处可见，如散热风
扇，电脑光驱，硬盘，还有电动车等中。已应用到包括工业，办公自动化，家用电器，
Ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｒｅｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ａｍｐｌｉｔｕｄｅ，ｐｈａｓｅ ａｎｄ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｗａｖｅ ｉｎ ｔｈｅｏｒｙ；ｔｈｅｎ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ’ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｉｇｎａｌ；ｆｉｎａｌｌｙ， ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｆｉｔ ｏｕｔ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｗａｖｅ ｂｙ ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｗａｖｅ ｉｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｍ ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ｃａｒｒｉｅｒ ｗａｖｅ Ｉｎｔｅｒｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ Ｃｈｉｐ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｗａｖｅ ｉｓ ｗｏｒｋｅｄ ｔｏ ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ． Ｓｏ ｗｅ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ’ｒｅｖｏｌｖｉｎｇ ｓｐｅｅｄ，ｒｏｔａｔｉｏｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．
对于直流无刷电动机的控制，当前的研究热点主要集中几个方面：一是研究无位 置传感器控制技术提高系统可靠和缩小电机尺寸，主要包括反电势法，磁链法，电感 法及人工智能法等；如Ｃｈｅｎ Ｗ，Ｘｉａ Ｃ Ｌ等人发表的论文中，研究了基于模糊逻辑（ｆｕｚｚｙ ｌｏｇｉｃ）实现的无刷直流电机的无位置控制【６】。二是对转矩波动抑制的研究以提高其伺服 精度，包括分时换相策略，自抗扰技术，ＢＰ神经网络，模糊小生境遗传算法等；在 Ｎａｍ Ｋ Ｙ等人的论文中分析了如何利用变化的输入电压来降低无刷电机的转矩脉动 （ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ）［１０】。三是对无刷直流电机结构的先进设计，线圈绕组的优化，和新材 料的使用。例如ＭｉｃｒｏＭｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ公司推出了无铁心式无刷直流电动机及无刷直流 球形电机等【ｌｌ】，例如使用更优良的永磁材料纳米晶永磁，例如采用光电编码器式传感 器，旋转变压器等更高性能的换向转感器。这些的目的都是为了扩大直流无刷电机的 应用范围，例如使能在高精度伺服系统中得以应用，能工作在更恶劣的工作环境下。
ｉＩｌ １ ０Ｖ．－ｏ．３５岬ＢＣＤ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｒ ＩＣ：； ＢＬＤＣＭ；ＭＳＬ—ＰＷＭ；ＰＷＭ ｍｏｄｅ
量曼曼ｉＩ
西南交通大学硕士研究生学位论文
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第一章 绪论
Ｉ．Ｉ研究背景与意义
Ｉ第皇曼１曼页曼曼
节能减排是当下紧峻的问题，电机及其拖动系统是工业耗能设备中的主要环节，
西南交通大学硕士研究生学位论文
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的运行能力。这是非常常见的实际应用方式。 虽然电机驱动控制芯片具有很大的市场，但是世界上的主要市场都由国外的大公
司控制，尤其以美国和日本在这方面投入的精力和财力特别大。ＴＩ，富士通（Ｆｕ儿Ｔｓｕ）， 东芝（ＴＯＳＨＩＢＡ），瑞萨科技（ＲＥＮＥｓＡＳ），意法半导体等几乎占领了所有的主流市场。 国内的一些ＩＣ厂商大部分属于跟随状态，只能在相对成熟的市场以牺牲利润的成本控 制来争取市场。但是电机驱动控制芯片一般都是先在ＭＣＵ中得到控制思路的实现和验 证，才把某些特定部份转化成专用的集成电路。所以国内厂商还是有能力去追踪新的 控制技术，去研究新的应用环境和条件，开发属于自己的新芯片来占领市场。