摘要：根据无刷直流电机( BLDCM)的脉宽调制(PWiVI)特点和谐振直流环节逆变器(RDCLI)的工作原理，利用脉宽调制专用集成芯片和复杂可编程逻辑器件( CPLD)，设计了新型并联谐振直流环节软开关逆变器驱动无刷直流电机的PWNI控制器。数字仿真和实验结果表明，设计的控制器实现了谐振直流环节逆变器的正常工作和无刷直流电机的PWM调制运行。

关键词：无刷直流电机；谐振直流环节；PWM；控制器

中图分类号：TM36 +1; TM302    文献标志码：A    文章编号：1001-6848( 2010)06-0059-04

    无刷直流电机( Brushless DC Motor，BLDCM)以其体积小、重量轻、效率高、特性好、响应快等优点，得到了广泛应用。然而，无刷直流电机通常采用硬开关逆变器驱动，硬开关逆变器的系统效率较低，开关器件的电压、电流应力大，开关器件开通和关断瞬间的电压和电流尖峰可能使器件的运行轨迹超出安全工作区，从而导致开关器件的损坏，影响系统的可靠性。因此，硬开关逆变器严重地影响了BLDCM系统性能的进一步提升。

    谐振赢流环节软开关逆变器( 简称RDCLI)作为一种有效的解决途径，研究已产生许多拓扑和控制方法，但这些拓扑仍存在一些不足，诸如开关器件电流电压应力较高、控制比较复杂、直流母线中点电压平衡问题等。

    文献[5]提出了一种新型并联谐振直流环节软开关逆变电路。该新型软开关变换电路具有这些优点：

①谐振网络无谐振阈值限制；

②谐振过程所用的时间较短，消耗功率较小；

③逆变桥的续流二极管实现了软性关断，克服了反向恢复问题；

④可以实现PWM控制且方法简单，便于工程实现；

⑤省去了阻流环节的大电容，无中点电位不平衡问题；

⑥功率器件具有棱小的开关应力；

⑦逆变桥开关操作均为零电压开关( zvs)，谐振单元的开关器件操作为zvs或零电流开关(zcs)。

     文献[6]提出了该新型谐振直流环节逆变器在无刷直流电机应用中的控制策略。本文在文献[5-6]的研究基础上，探讨该新型谐振直流环节逆变器在无刷直流电机中应用的PWM控制器实现。

  新型谐振直流环节软开关逆变器的拓扑电路如图1所示，包括直流电源、谐振单元、三相电压源逆变器和电机。

    为了便于后续分析，先简单介绍软开关逆变器的工作原理。逆变器过渡状态的等效电路如图2，电压和电流的参考方向如图中标定。图3为逆变器状态过渡期间一个开关周期的动作波形，图中dUl、dU2、dU3分别为辅助开关V1、V2、v3的驱动信号，uc为电容Cr两端的电压，即直流环节或直流母线电压，ucl、uc2分别为电容C1、C2两端电压，i为谐振电感电流，恒流源I0为等效负载电流，TD/为等效续流二极管。新型谐振直流环节逆变器的一个完整PWM开关周期由十个阶段构成。

  假定这是电路的初始工作状态，V2，V3断开，V1导通，电源E经V1向负载提供电流。

  模式b[t1-t2]

  t=t2时，PWM关断信号到来，在zvs条件下直接关断开关V，，同时zcs条件下开通V3。

  模式c[t2~t3j

  T=t2时，直流母线电压谐振下降到零，负载电流I0流过续流二极管TDi，同时，因二极管D1的导通，阻止了谐振的进行，电容不能反向充电，电感L1、开关管V3和二极管D1自形成回路，使电感电流为恒值。此时可zvs条件下软关断V3。电感和电容C1发生谐振，电容C1被充电电压升高，电感电流下降。

   模式(l[t4~t3]

   t= t3时，谐振中止，电感电流转换到二极管D2，向电源回馈能量，使电感电流迅速减

小为零。

   模式e[ t4~她]

   在t4 - t5阶段，逆变桥续流二极管和负载电流构成回路，和传统的逆变器工作状态相同。在t2-t3阶段直流环节电压为零，逆变桥开关器件可以完成一次zvs开关过程，等开关过程结束后，进行母线电压回升。

   

  模式5[t5~ t6]

    t=t5时，zcs下开通V2，则电感电流正向线性增加，并通过逆变桥开关向负载供电，使流过续流二极管的电流线性减小。

  模式t[ t6~t7]

  t= t6时，电感电流和负载电流相等且继续增加，使TDi软关断。电感电流一部分和负载电流保持平衡，另一部分使得电感和电容Cr、C1发生自然谐振，电容Cr电压上升，电容C1电压下降。

  模式h[t7~t8]

  在谐振过程中，直流母线电压上升至电源电压下，即t=t7时，二极管D6导通，限制了直流母线电压的迸一步增加。此时可zvs开通V1，同时zvs关断V2，电感与电容C2发生谐振，使电容C2充电。

  模式j[t8~t9]

  t=t8时，使得二极管Ds导通，电感向电源馈能。电感电流等于负载电流时，馈能过程结束。

  模式j[t9～t1O]

  t=t9时，二极管D6关断，直流电源经V，向负载补充电流，直至k(t)=0，此后负载电流全部由电源提供。

    当t=t10。时，电感电流i(tlo) =0，电路状态又回到模式a，完成一次PWM运行。

    无刷直流电机PWM调制控制的实质可以概括为：PWM调制导通阶段，直流电源通过逆变器向电、机传输能量，电机相电流增加，电磁转矩增加。PWM调制关断阶段，无刷直流电机通过逆变器的续流二极管形成续流回路，因电枢反电势的存在使得电机相电流减小，电磁转矩减小。

    为了获得无刷直流电机的PWM调制特性，谐振直流环节驱动无刷直流电机的PWM调制算法如图4所示。三相逆变桥仅完成无刷直流电机的换相功能，不进行PWM高频调制。

   

    PWM信号下降沿，直接关断开关v，，并同时开通开关V1，则由谐振直流环节逆变器的工作原理可知，直流环节电压将谐振到零并保持为零，电机电流通过逆变桥续流二极管形成续流回路。控制选择1可通过两种方式实现，一种为时序控制，V1管的导通时长固定。另一种为监测控制，检测直流环节电压，当直流环节电压下降到零后关断V3。

    PWM信号上升沿时，直接开通开关V2，则由工作原理可知，直流环节电庄将谐振到直流电源电压，之后开通开关V，并同时关断v7，则直流电源通过V1向电机传输电能。控制选择2同样可通过两种方式实现。

    首先，控制器要能根据无刷直流电机的位置反馈信号实现电机的正常换相；其次，要实现谐振直流环节的正常运行；最后，要能实现无刷直流电机在硬开关和软开关逆变器驱动下的PWM控制。

    根据无刷直流电机和谐振直流环节的工作原理，本文确定了如图5所示的控制框图。逆变器为新型谐振直流环节拓扑，功率开关器件选用了MOSFET。控制电路功能主要由芯片SC3525和CPLD完成，实现PWM调制、时序控制和换相逻辑综合等。驱动电路选用了IR2130和IR2103芯片。无刷直流电机的额定电压24 V，极数为4。

    控制电路的PWM信号由集成芯片SG3525实现，SG3525是频率固定的集成脉宽调制芯片，内部由基准电压、振荡器、误差放大器、比较器、PWM锁存器、分相器、欠电压锁定器、输出级、软起动及关闭电路等组成。脉宽调制电路如图6所示，R1用于电机转速的设定，R3确定系统的PWM频率。

   

    PWM调制、时序控制和换相逻辑综合等由MAX7000S系列器件EPM7128SL84完成，可对软开关运行、硬开关运行、停车以及保护信号进行逻辑处理，输出逆变器相应开关器件的控制信号。

    为r验证设计的正确性，在MAX+ PLUSⅡ环境下进行了仿真。软开关运行状态的仿真波形如图8所示，由图可知，当/ssw信号出现负脉冲后，逆变桥控制信号T1、T2、T3、T4、T5和T6工作在换相频率；在PWMO信号的上升沿，V2控制信号出现一段时间的高电平，后V2变低而同时V1变高；在PWMO信号的下降沿，V1控制信号直接变为低电平，同时V1变为高电平并持续一段时间；由于PSEL为高电平，所以PWMO测试信号为PWMI。

  硬开关运行状态的仿真波形如图9所示，由图可知，当HSW信号出现负脉冲后，逆变桥控制信号T1、T2、T3、T4、T5和T6工作在PWM斩波频率；V1、V2、V3控制信号都为低电平，在主电路中用短接线将开关器件v1短接，则此时无刷直流电机将运行于双斩方式；由于PSEL为低电平，所以PWMO测试信号为PWM1和PWM2的或。

  上述结果和预期要求完全一致，说明了设计是正确的。然后在MAX+ PLUSⅡ环境下对器件下载程序，验证控制器功能。

    实验结果如图10所示。其中，图IO(a)和图lO(b)给出了l5 kHz开关频率时直流环节开关器件的控制信号，与谐振直流环节的工作原理及数字仿真一致。

    图10(c)为20 kHz开关频率时直流环节电压与电感电流的实验波形，由图可知，负向电感电流使直流环节电压谐振到零，正向电感电流使直流环节电压谐振至电源电压，符合新型谐振直流环节逆变器的工作原理。

    图10(d)力用WT3000测得的无刷直流电机电流波形，从波形中可以看出，无刷直流电机的电流波形较好，完全按设定的三相六状态120度运行，说明了设计的控制器是可行的。

   

    利用CPLD和SG3525设计了谐振软开关逆变技术应用于无刷直流电机驱动系统的PWM控制器，使用MAX +PLUSⅡ对CPLD所实现的谐振直流环节逆变器的控制功能进行了仿真软件仿真和实验结果均证明输出波形稳定、精确。CPLD的使用使控制器具有电路简单紧凑、响应速度快、调试方便和集成度高等特点。