一体化直驱电机驱动器的设计及实现

　　作为工业生产线基础的传动设备，一般都采用“交流电动机+机械减速机构”的方式来驱动,简单适用且价格低廉。但是今天，由机械减速机构带来的不利影响，如齿轮箱等的油污泄漏、机械磨损及日常维护等，正在引起人们的关注，特别是在食品、卫生、制药等行业。一种采用低转速、大力矩无刷直流电机的直驱电机，取代了机械减速机构，将电机与传动目标直接耦合，在系统性能和成本上具有更多的竞争优势。

　　驱动器结构

　　与交流感应电动机相比，作为无刷直流电动机的直驱电机由于电动机转子的特殊结构，需要特别的驱动器才能运行，驱动器的电气结构如图1所示。

　　F1: 直驱电机驱动器的电气结构

　　辅助电源将交流电源转化为+5/15V直流电源，提供给系统及智能功率模块使用;用户接口提供了一个驱动系统与操作者的沟通渠道，操作者通过它来调节电机的运行速度和方向，同时电机及驱动器的工作状态也通过它传递给操作者;霍尔传感器作为位置传感器，将无刷直流电动机转子的物理位置信息提供给控制核心;控制核心通过智能功率模块(IPM)将电力以合适的方式传递给电机，控制电机的运行方向和速度;系统同时也检测输入电压、电机的负载电流和驱动器的工作温度，获得电机的工作环境和工作状态，这些将参与电动机的控制并且在必要时将系统切换到保护状态，使系统有更高的可靠性。驱动器的设计将满足如下目标：

　　1)小型化 由于一体化直驱电机的产品目标是将电机与电机驱动器合为一体，驱动器的体积和散热是首要的考虑焦点;

　　2)可靠性 一体化的直驱电机将面对严酷的工业应用环境的挑战，产品可靠性在设计之初就应该给予充分的重视;

　　3)人性化 一体化直驱电机的操作者主要是工厂现场的工人，因此它的用户接口设计将更多地考虑人性化和简单化。

　　硬件设计

　　控制核心 采用Atmel公司的ATMEGA88 MCU与 Lattice公司的M4A5 CPLD。

　　1) MEGA88内置高精度8MHZ RC振荡器，在-40℃～80℃温度范围，其变化在±2.5%内。RC振荡器以其非常简单的结构，为系统的目标应用提供了适用、廉价、高可靠性的时钟源;

　　2) 512B的EEPROM为许多用户参数的设置提供了保存的空间，电机表现为具有记忆功能。就速度设置而言，省略了通过电位器来进行设置和记忆的方式，而采用较简单的按键开关;

　　3) 六通道PWM方便了电机速度控制的调节，特别是它的16位定时器/计数器1，具有双缓冲的输出比较寄存器，驱动器用它来产生无干扰脉冲、相位正确的可变频率的PWM。直驱电机驱动器采用120°驱动方式，不需要PWM的互补输出结构。系统用CPLD构建六路PWM输出信号互锁，用硬件方式保证IPM的同一桥臂不会直接导通;MCU根据霍尔传感器提供的转子位置信息将PWM信号进行切换和分配，驱动IPM;