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【摘 要】针对机载雷达伺服驱动器体积小、集成度高、稳定性好、抗干扰能力强的需求，提出了一种直流无刷电机驱动器的设计方案。该驱动器以PW-82521模块为驱动核心，采用全隔离方案实现强弱电信号间的电气隔离，运用过流保护电路对电机进行保护。驱动器工作温度范围宽、硬件电路结构简单、控制性能好、可靠性高、抗干扰能力强。经实验验证，在机载雷达工作环境下，此驱动器工作稳定。
【关 键 词】PW-82521模块，直流无刷电机，TVS管，过流保护
【中图分类号】 TM33【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0256-02
0引言
永磁无刷直流电机具有运行效率高、调速性能好、结构简单、运行可靠、维护方便等显著优点[1]，适合应用在宽温、强振动、大过载等恶略工作环境，并具有高可靠性指标要求的机载、球载雷达伺服系统中。
本文针对某型机载雷达伺服系统性能指标要求，提出以PW-82521模块为核心驱动模块的直流无刷电机驱动器的设计方案。此模块是一款性能完备的智能型电机驱动模块，可广泛用于驱动直流无刷电机和直流有刷电机[2]，具有控制方式简单、工作温度范围广、重量轻、体积小、抗干扰性强、集成度高等诸多优点。驱动器设计了信号隔离电路增强系统的抗干扰能力，设计过流保护电路，确保电机长期、可靠的工作在允许的电流范围内，提高系统的可靠性。
1 系统工作原理
1.1系统构成
系统结构框图如图1所示。
1.2 PW-82521工作原理
图2是PW-82521在直流无刷电机伺服系统中采用电流环控制方案的典型应用电路图。PW-82521额定工作电压200V、电流10A、频率10KHz～100KHz、占空比5%～95%，相关引脚定义为：
VBUS+A、VBUS+B、VBUS+C：模块内部三相桥的供电电源端，接到外部供电电源的正端。VBUS-：VBUS+供电回路的负端。
VCC AND VCC RTN：模块内部混合数字电路的电源端，供电电压为+5V。
VDR：模块内部MOSFET管驱动信号用电源，供电电压为+15V。
VDD、VEE：模块内部小信号逻辑电路供电电源。VDD供电电压为+5V～+15V，VEE供电电压为-5V～-15V，两种电源值必须保持对称。
SUPPLY GND：VDR，VDD，VEE电源回路的负端。此管脚与VBUS-管脚在模块外部短接在一起。
CASE GND：管脚在模块内部连接到混合电路回路。在一些应用场合，将此管脚连接到地上，可以起到抗电磁干扰的作用。
HALL A，B，C SIGNALS：电机HALL信号输入端。
PHASE A，B，C：三相桥臂驱动信号输出端。
ENABLE：模块内部PWM信号使能控制信号，低电平有效。当信号为高电平无效时，模块内部PWM信号被禁止，三相桥臂输出信号均为0V电平。
TACH OUT：电机速度检测端。信号为方波，频率与电机速度相关。
DIR OUT：电机旋转方向指示信号，低电平表示电机做顺时针旋转，高电平表示电机做逆时针旋转。
CURRENT MONITOR OUT：电机电流采样信号输出端。此信号以电压形式输出，电流电压比为2.5A/V，此信号不仅反映电流的大小同时反映电流的极性。
SYNC IN：外部时钟信号输入端。
PWM IN：比较信号输入端，此信号控制PWM信号的占空比。PWM OUT信号或外部三角波信号和此管脚相连。
PWM OUT：模块内部合成PWM信号的三角波信号的输出端。输出信号频率的变化可以通过调节连接在此管脚与地端之间的电容容值来实现。
ERROR AMP INPUT，ERROR AMP OUT：误差放大器的输入端和输出端。
COMMAND IN+，COMMAND IN-，
COMMAND GROUND，COMMAND OUT：控制信号运算放大器的输入、输出管脚。放大器为差分运算放大器。
2 硬件设计
按照功能，驱动器的硬件电路划分为：驱动模块，辅助电源保护模块、信号隔离及逻辑变换模块、过流保护模块。以下介绍各功能电路的硬件实现及器件选取。
2.1驱动模块
由PW-82521为核心器件的驱动原理图如图3所示：
图1中，C1选用高品质的钽电容作为储能器件；C2、C3、C4选用无感陶瓷电容；D1-D4为单向TVS器件；C13选用330pF电容，系统工作频率为25kHz；R1～R4，C14决定电流环特性。
2.2辅助电源保护模块
PW-82521正常工作需要母线电源和4种辅助电源。辅助电源的缺失或过压都会引起模块工作状态的不稳定，严重的情况下可导致模块的失效。本文设计的驱动器对所有辅助电源都进行了过压保护，针对VDD和VEE设计了电源检测电路，采用简便易行的光电检测电路。
过压保护采取选用优质钽电容和并联TVS管的双重措施。图3中C5～C8选用20uF的贴片式固态钽电容，C9～C12选用104K的无感陶瓷电容，图3中D1～D4为TVS管。TVS管即瞬态电压抑制二极管[3]，它在规定的反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝制到预定水平，从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。TVS管的选取可以遵循以下原则[3]：
（1） 最大箝位电压Vc（max）不大于电路的最大允许安全电压；
（2） 最大反向工作电压（变位电压）VRWM不低于电路的最大工作电压，一般可以选VRWM等于或略高于电路最大工作电压； （3） 额定的最大脉冲功率，必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。
2.3信号隔离及逻辑变换模块
电机驱动信号为大电流信号易对控制信号产生干扰，为了确保来自控制单元控制信号和采样信号不受电机信号的干扰，本文设计的驱动器选用强弱电信号全隔离的方案，以确保驱动器具有较强的抗干扰能力。电流大小及极性的控制信号的隔离选取差分运放隔离的方式，功能芯片选用INA117，使能控制信号及电机工作状态的检测信号的隔离方式选取光电隔离的方式，功能芯片选用HCPL6651，电路原理图如图4所示：
2.4过流保护电路
机载雷达天线座结构紧凑，电机的安装空间狭小、形式复杂、不易拆装，而且电机的容量余度不能选取过大。因此必须尽量避免电机因长时间过流引起绕组发热而烧毁电机的事故。
本文针对上述描述的电机保护问题，设计了电机电流过流保护电路，如图5所示：
绝对值电路将双极性的电流采样信号转变为单极性的信号原理如图5（a）所示。延时电路用来区分过流的状态，对不至引起电机损坏的短时的过流现象进行保护屏蔽，保护的延时时间由图5（b）中R1、R2、C1构成的充放电电路和预设的保护基准Ref2来决定。
3 系统实验
图6给出空载0-1500rpm速度阶跃响应波形。由图可以看出速度响应时间小于15ms，且无超调，满足系统带宽要求。
4 结束语
本文设计了以PW-82521为核心器件的直流无刷电机驱动器，该驱动器成功应用于某型机载雷达伺服系统，通过高低温实验、振动冲击实验、可靠性实验及电磁干扰实验验证，此驱动器工作性能稳定可靠。在研制过程中有以下总结：
1） PW-82521模块的VBUS+和VBUS-管脚选用高品质无感高频滤波电容就近连接，能提高抗干扰能力。
2） 辅助电路的地与PW-82521模块的地需选用星形单点接地的连接方式以提高系统的抗干扰能力。
3） 合理选配模块的辅助电源端并联TVS管，可以大大降低由电源冲击造成的模块损坏。
4） 合理配置PW-82521模块的工作频率及散热方式，降低因器件过热引起的失效风险。
参考文献
[1] 王琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2004
[2] PW-82520/21N 数据手册 .DDC公司，2003
[3] 《应用指南》永光电子有限公司，2012
【关 键 词】PW-82521模块，直流无刷电机，TVS管，过流保护
【中图分类号】 TM33【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0256-02
0引言
永磁无刷直流电机具有运行效率高、调速性能好、结构简单、运行可靠、维护方便等显著优点[1]，适合应用在宽温、强振动、大过载等恶略工作环境，并具有高可靠性指标要求的机载、球载雷达伺服系统中。
本文针对某型机载雷达伺服系统性能指标要求，提出以PW-82521模块为核心驱动模块的直流无刷电机驱动器的设计方案。此模块是一款性能完备的智能型电机驱动模块，可广泛用于驱动直流无刷电机和直流有刷电机[2]，具有控制方式简单、工作温度范围广、重量轻、体积小、抗干扰性强、集成度高等诸多优点。驱动器设计了信号隔离电路增强系统的抗干扰能力，设计过流保护电路，确保电机长期、可靠的工作在允许的电流范围内，提高系统的可靠性。
1 系统工作原理
1.1系统构成
系统结构框图如图1所示。
1.2 PW-82521工作原理
图2是PW-82521在直流无刷电机伺服系统中采用电流环控制方案的典型应用电路图。PW-82521额定工作电压200V、电流10A、频率10KHz～100KHz、占空比5%～95%，相关引脚定义为：
VBUS+A、VBUS+B、VBUS+C：模块内部三相桥的供电电源端，接到外部供电电源的正端。VBUS-：VBUS+供电回路的负端。
VCC AND VCC RTN：模块内部混合数字电路的电源端，供电电压为+5V。
VDR：模块内部MOSFET管驱动信号用电源，供电电压为+15V。
VDD、VEE：模块内部小信号逻辑电路供电电源。VDD供电电压为+5V～+15V，VEE供电电压为-5V～-15V，两种电源值必须保持对称。
SUPPLY GND：VDR，VDD，VEE电源回路的负端。此管脚与VBUS-管脚在模块外部短接在一起。
CASE GND：管脚在模块内部连接到混合电路回路。在一些应用场合，将此管脚连接到地上，可以起到抗电磁干扰的作用。
HALL A，B，C SIGNALS：电机HALL信号输入端。
PHASE A，B，C：三相桥臂驱动信号输出端。
ENABLE：模块内部PWM信号使能控制信号，低电平有效。当信号为高电平无效时，模块内部PWM信号被禁止，三相桥臂输出信号均为0V电平。
TACH OUT：电机速度检测端。信号为方波，频率与电机速度相关。
DIR OUT：电机旋转方向指示信号，低电平表示电机做顺时针旋转，高电平表示电机做逆时针旋转。
CURRENT MONITOR OUT：电机电流采样信号输出端。此信号以电压形式输出，电流电压比为2.5A/V，此信号不仅反映电流的大小同时反映电流的极性。
SYNC IN：外部时钟信号输入端。
PWM IN：比较信号输入端，此信号控制PWM信号的占空比。PWM OUT信号或外部三角波信号和此管脚相连。
PWM OUT：模块内部合成PWM信号的三角波信号的输出端。输出信号频率的变化可以通过调节连接在此管脚与地端之间的电容容值来实现。
ERROR AMP INPUT，ERROR AMP OUT：误差放大器的输入端和输出端。
COMMAND IN+，COMMAND IN-，
COMMAND GROUND，COMMAND OUT：控制信号运算放大器的输入、输出管脚。放大器为差分运算放大器。
2 硬件设计
按照功能，驱动器的硬件电路划分为：驱动模块，辅助电源保护模块、信号隔离及逻辑变换模块、过流保护模块。以下介绍各功能电路的硬件实现及器件选取。
2.1驱动模块
由PW-82521为核心器件的驱动原理图如图3所示：
图1中，C1选用高品质的钽电容作为储能器件；C2、C3、C4选用无感陶瓷电容；D1-D4为单向TVS器件；C13选用330pF电容，系统工作频率为25kHz；R1～R4，C14决定电流环特性。
2.2辅助电源保护模块
PW-82521正常工作需要母线电源和4种辅助电源。辅助电源的缺失或过压都会引起模块工作状态的不稳定，严重的情况下可导致模块的失效。本文设计的驱动器对所有辅助电源都进行了过压保护，针对VDD和VEE设计了电源检测电路，采用简便易行的光电检测电路。
过压保护采取选用优质钽电容和并联TVS管的双重措施。图3中C5～C8选用20uF的贴片式固态钽电容，C9～C12选用104K的无感陶瓷电容，图3中D1～D4为TVS管。TVS管即瞬态电压抑制二极管[3]，它在规定的反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝制到预定水平，从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。TVS管的选取可以遵循以下原则[3]：
（1） 最大箝位电压Vc（max）不大于电路的最大允许安全电压；
（2） 最大反向工作电压（变位电压）VRWM不低于电路的最大工作电压，一般可以选VRWM等于或略高于电路最大工作电压； （3） 额定的最大脉冲功率，必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。
2.3信号隔离及逻辑变换模块
电机驱动信号为大电流信号易对控制信号产生干扰，为了确保来自控制单元控制信号和采样信号不受电机信号的干扰，本文设计的驱动器选用强弱电信号全隔离的方案，以确保驱动器具有较强的抗干扰能力。电流大小及极性的控制信号的隔离选取差分运放隔离的方式，功能芯片选用INA117，使能控制信号及电机工作状态的检测信号的隔离方式选取光电隔离的方式，功能芯片选用HCPL6651，电路原理图如图4所示：
2.4过流保护电路
机载雷达天线座结构紧凑，电机的安装空间狭小、形式复杂、不易拆装，而且电机的容量余度不能选取过大。因此必须尽量避免电机因长时间过流引起绕组发热而烧毁电机的事故。
本文针对上述描述的电机保护问题，设计了电机电流过流保护电路，如图5所示：
绝对值电路将双极性的电流采样信号转变为单极性的信号原理如图5（a）所示。延时电路用来区分过流的状态，对不至引起电机损坏的短时的过流现象进行保护屏蔽，保护的延时时间由图5（b）中R1、R2、C1构成的充放电电路和预设的保护基准Ref2来决定。
3 系统实验
图6给出空载0-1500rpm速度阶跃响应波形。由图可以看出速度响应时间小于15ms，且无超调，满足系统带宽要求。
4 结束语
本文设计了以PW-82521为核心器件的直流无刷电机驱动器，该驱动器成功应用于某型机载雷达伺服系统，通过高低温实验、振动冲击实验、可靠性实验及电磁干扰实验验证，此驱动器工作性能稳定可靠。在研制过程中有以下总结：
1） PW-82521模块的VBUS+和VBUS-管脚选用高品质无感高频滤波电容就近连接，能提高抗干扰能力。
2） 辅助电路的地与PW-82521模块的地需选用星形单点接地的连接方式以提高系统的抗干扰能力。
3） 合理选配模块的辅助电源端并联TVS管，可以大大降低由电源冲击造成的模块损坏。
4） 合理配置PW-82521模块的工作频率及散热方式，降低因器件过热引起的失效风险。
参考文献
[1] 王琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2004
[2] PW-82520/21N 数据手册 .DDC公司，2003
[3] 《应用指南》永光电子有限公司，2012