反電動勢法 無刷電機

1、“反電動勢法”永磁直流無刷電機控制系統(tǒng)設(shè)計時間：2009-04-02 11：01：29來源：電子技術(shù)作者：武漢大學(xué)自動化系王鴻通過表1的邏輯關(guān)系，同一橋臂上下橋臂的輸入信號互鎖，使得不會出現(xiàn)同時導(dǎo)通的 情況。硬件電路的連接由表l邏輯關(guān)系而定，而且可以通過與非門電路搭建而成，在此不再 詳述。3系統(tǒng)軟件設(shè)計MCU輸出控制信號控制三相全橋驅(qū)動逆變電路，在軟件實現(xiàn)上可以采用不同的控制規(guī) 律，常用的控制方式有：三三導(dǎo)通控制方式，兩三輪流導(dǎo)通控制方式和1200導(dǎo)通型控制方 式。它們在控制性能上相差不大，本系統(tǒng)采用1200導(dǎo)通型控制方式，控制規(guī)律為：（1）每隔 600換流一次；（2）任何時候只有兩只開關(guān)器件

2、同時導(dǎo)通；（3）每個開關(guān)器件導(dǎo)通1200根據(jù) 硬件電路的設(shè)計和1200導(dǎo)通型控制規(guī)律，橋臂與M0S管對應(yīng)關(guān)系為：A上橋臂：Tl，A 下橋臂：T4 ； B上橋臂：T3，B下橋臂：T6 ； C上橋臂：T5，C下橋臂：T2。各M0S管 導(dǎo)通順序如表2所示。表2MOS管導(dǎo)通規(guī)律狀態(tài)狀態(tài)一狀態(tài)二狀態(tài)三狀態(tài)五狀態(tài)六導(dǎo)通T1J2T2J3T4tT5TiT6T6J1電流方向C-,B+B+.A-A-,C+C+,B-采用反電動勢法控制直流無刷稀土電機，在起動時，由于電機轉(zhuǎn)速很小，無法獲得反 電動勢，因此電機起動順利完成要通過軟件編程實現(xiàn)。常用的起動方式有：外同步驅(qū)動起動 方式和預(yù)定位起動方式。外同步驅(qū)動方式指以變頻

3、方式同步拖動電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這種起動方 式的缺點是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向是不可知的，轉(zhuǎn)子可能順時針旋轉(zhuǎn)也可能逆時針旋轉(zhuǎn)；另外，如 果頻率上升太快，電機很容易失步。預(yù)定位方式起動是在起動開始時給電機一個確定的通電 狀態(tài)，使轉(zhuǎn)子定位。然后改變電機的通電狀態(tài)，在電磁力矩的作用下使轉(zhuǎn)子向確定方向轉(zhuǎn)動, 在轉(zhuǎn)動過程中把電機切換到無刷電機運行方式。這樣，一方面使繞組中具有一定大小的反電 勢信號，另一方面電動勢的相序是固定的而非隨機的，保證電機有一個確定的轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)電 機的順利起動。4總結(jié)采用以上分析設(shè)計的控制方案控制直流無刷稀土電機，實現(xiàn)了反電動勢法無傳感器控制 方式。同時采用兩個電流保護模塊，一個從硬件上實現(xiàn)保護

4、，一個從軟件方面設(shè)計實現(xiàn)保護, 使得電機在外電路過流與直通發(fā)生時能更好的保護整個控制系統(tǒng)的安全運行，相比較于只采 用硬件保護電路或軟件保護的反電動勢控制方法更加靈活安全。還特別的加入了邏輯保護電 路模塊使得在軟件出現(xiàn)問題時能保護驅(qū)動電路和電機的安全。整個系統(tǒng)在分析設(shè)計方面還有 改進的空間，希望其他讀者能從以下方面進行改進。（1）更好的解決反電動勢虛假過零點問題。（2）有待研究更快更好的啟動方法。驅(qū)動橋式電路常用方案有：三相半橋驅(qū)動，電容儲能驅(qū)動和三相全橋驅(qū)動。三相全橋驅(qū) 動由六只功率管構(gòu)成三相六臂全控橋，雖然增加了功率開關(guān)管的數(shù)量，但增大了轉(zhuǎn)矩輸出且 轉(zhuǎn)矩波動小于三相半橋驅(qū)動，復(fù)雜性與可靠性上

5、也優(yōu)于電容儲能驅(qū)動，而且起動特性和低速 平穩(wěn)性都較好，因此本系統(tǒng)采用此方案。如圖3所示，為驅(qū)動芯片和驅(qū)動橋式電路（只接了 一相的上下橋臂）的硬件電路設(shè)計。轉(zhuǎn)子位置檢測電路用于測取電機反電動勢過零點信息，從而獲得轉(zhuǎn)子位置，而且是通電機端電壓檢測共分為A、B、C三相，現(xiàn)以A相為例，先將輸入到IR2130的B和C 相驅(qū)動控制信號PWM B和PWM C通過與非門反相，得到B、C兩相上橋臂的PWM驅(qū)動 信號相與的波形，然后跟單片機輸出控制口信號Ctr_A相與。當單片機輸出控制口為l時， D觸發(fā)器時鐘端為B、C兩相PWM驅(qū)動波形相與的信號；當單片機輸出口為0時，D觸發(fā) 器時鐘端為低電平，封鎖D觸發(fā)器輸出，

6、使D觸發(fā)器輸出保持不變，從而通過編寫軟件控 制單片機輸出口，使得每個狀態(tài)，只有一個D觸發(fā)器開通，且在續(xù)流階段封鎖D觸發(fā)器輸 出，這樣可以很大程度的避免反電動勢虛假過零點對零點信息測量的影響。電流保護電路包括兩個部分。第一部分如圖3所示。通過R7、R8、R9三個電阻將驅(qū)動橋的電壓信號采集到IR2130中，一旦外電路發(fā)生過流或 直通，IR2130內(nèi)部的電流比較器迅速翻轉(zhuǎn)，故障處理單元輸出低電平，封鎖驅(qū)動輸出口， 同時引腳FAULT向MCU發(fā)出報警信號，由此完成第一部分電流保護功能且要通過軟件設(shè) 計實現(xiàn)具體的功能響應(yīng)。第二部分電流保護主要針對驅(qū)動橋，電路設(shè)計如圖5所示。保護電路通過Rio于Rll將驅(qū)

7、動橋下橋臂的電壓采集到LM393的正向輸入端，可以和 事先設(shè)定的Verf進行比較，當驅(qū)動橋電流過大時，LM393輸出高電平，使得Qi、Q2、Q3 都導(dǎo)通，由此降低下橋臂MOS管的柵源電壓，達到保護MOS管的目的。三相全橋的驅(qū)動控制是由MCU通過PWM方式實現(xiàn)的，當軟件運行出現(xiàn)錯誤時，可能 會使得同一橋臂的上下兩個MOS管同時導(dǎo)通，這將造成短路，極易燒壞MOS管，由此設(shè) 計了邏輯保護電路模塊，使得同一橋臂上下兩個MOS管不會出現(xiàn)同時導(dǎo)通的情況。邏輯保 護電路輸入與輸出的邏輯關(guān)系如表1所示。表1輸入輸出邏輯關(guān)系六路輸 入信號DK D2. D3D4. D5. D6釁Q 1 = 5104Q2=D2D5

8、Q3=D3D6Q4 = D4DlQ5 = D5D2Q6 = d6D3六路輸 岀信號1Qk Q2 Q3Q4. Q5. Q6通過表1的邏輯關(guān)系，同一橋臂上下橋臂的輸入信號互鎖，使得不會出現(xiàn)同時導(dǎo)通的情況。 硬件電路的連接由表l邏輯關(guān)系而定，而且可以通過與非門電路搭建而成，在此不再詳述。3系統(tǒng)軟件設(shè)計MCU輸出控制信號控制三相全橋驅(qū)動逆變電路，在軟件實現(xiàn)上可以采用不同的控制規(guī) 律，常用的控制方式有：三三導(dǎo)通控制方式，兩三輪流導(dǎo)通控制方式和1200導(dǎo)通型控制方 式。它們在控制性能上相差不大，本系統(tǒng)采用1200導(dǎo)通型控制方式，控制規(guī)律為：（1）每隔 600換流一次；（2）任何時候只有兩只開關(guān)器件同時導(dǎo)通

9、；（3）每個開關(guān)器件導(dǎo)通1200根據(jù) 硬件電路的設(shè)計和1200導(dǎo)通型控制規(guī)律，橋臂與MOS管對應(yīng)關(guān)系為：A上橋臂：Tl，A 下橋臂：T4 ； B上橋臂：T3，B下橋臂：T6 ； C上橋臂：T5，C下橋臂：T2。各MOS管 導(dǎo)通順序如表2所示。表2MOS管導(dǎo)通規(guī)律狀態(tài)狀態(tài)一狀態(tài)二狀態(tài)三狀態(tài)五狀態(tài)六導(dǎo)通T1,T2T2.T3T3,T4T4tT5T6J1電流方向C-,B+A-,C+C+,B-B-aA+采用反電動勢法控制直流無刷稀土電機，在起動時，由于電機轉(zhuǎn)速很小，無法獲得反 電動勢，因此電機起動順利完成要通過軟件編程實現(xiàn)。常用的起動方式有：外同步驅(qū)動起動 方式和預(yù)定位起動方式。外同步驅(qū)動方式指以變頻方

10、式同步拖動電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這種起動方 式的缺點是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向是不可知的，轉(zhuǎn)子可能順時針旋轉(zhuǎn)也可能逆時針旋轉(zhuǎn)；另外，如 果頻率上升太快，電機很容易失步。預(yù)定位方式起動是在起動開始時給電機一個確定的通電 狀態(tài)，使轉(zhuǎn)子定位。然后改變電機的通電狀態(tài)，在電磁力矩的作用下使轉(zhuǎn)子向確定方向轉(zhuǎn)動, 在轉(zhuǎn)動過程中把電機切換到無刷電機運行方式。這樣，一方面使繞組中具有一定大小的反電 勢信號，另一方面電動勢的相序是固定的而非隨機的，保證電機有一個確定的轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)電 機的順利起動。4總結(jié)采用以上分析設(shè)計的控制方案控制直流無刷稀土電機，實現(xiàn)了反電動勢法無傳感器控制 方式。同時采用兩個電流保護模塊，一個從硬件上實現(xiàn)保護，一個從軟件方面設(shè)計實現(xiàn)保護, 使得電機在外電路過流與直通發(fā)生時能更