“反電動(dòng)勢(shì)法”永磁直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究

“反電動(dòng)勢(shì)法”永磁直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究引言永磁直流無刷電機(jī)(BLDCM)是一種典型的機(jī)電一體化電機(jī)，除了有普通直流電機(jī)調(diào)試性能好、調(diào)速范圍寬和調(diào)速方式簡(jiǎn)單的特點(diǎn)外，還有功率因素高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別是由于它不存在機(jī)械換相器與電刷，大大的減少了換相火花，機(jī)械磨損和機(jī)械噪聲，使得它在中小功率范圍內(nèi)得到了更加廣泛的應(yīng)用，是電機(jī)的主要發(fā)展方向之一。對(duì)于永磁直流無刷電機(jī)的控制方式，可以分為兩大類：有位置傳感器控制方式和無位置傳感器控制方式。典型的有位置傳感器控制方式是使用霍爾傳感器控制方式。無位置傳感器控制方式是目前比較廣泛使用且控制法等。反電動(dòng)勢(shì)控制方法中對(duì)驅(qū)動(dòng)橋和電機(jī)在外電路過流時(shí)的保護(hù)極為重要，對(duì)軟件發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作時(shí)負(fù)載的保護(hù)也提出了較高的要求，本文采用反電動(dòng)勢(shì)控制方法，以直流無刷稀土電機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了兩個(gè)電流保護(hù)模塊和一個(gè)數(shù)字邏輯保護(hù)電路，提高了系統(tǒng)工作時(shí)的安全性，具有較大的研究意義?？刂葡到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)PWM反饋控制方式的典型閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)其中還創(chuàng)新性的加入了邏輯保護(hù)電路和兩路電流保護(hù)1n0n相比較，得到的偏差PWM開關(guān)的控制信號(hào)，然后由主開關(guān)完成對(duì)永磁無刷直流電機(jī)定子電流的通斷，并產(chǎn)生平均意義上旋轉(zhuǎn)的定子電樞合成磁勢(shì)，由定子電樞合成磁勢(shì)帶動(dòng)永磁體轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了永磁無刷直流電機(jī)的自同步控制。研究對(duì)象永磁直流無刷稀土電機(jī)將磁體粘貼到轉(zhuǎn)子鐵心表面，組成所謂的隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。其定子三相對(duì)稱繞組采用整距、集中繞組，無中線引出線，由電機(jī)學(xué)原理可知反電動(dòng)勢(shì)的波形為一梯形波，而且電機(jī)中ABC120正比于轉(zhuǎn)子角速度，有圖2所示關(guān)系。由此得出反電動(dòng)勢(shì)法控制規(guī)律的重要結(jié)論為：通過測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)獲取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，并不是測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)30時(shí)刻。但反電動(dòng)勢(shì)無法直接測(cè)量得到，可通過測(cè)量電機(jī)端電壓來間接獲取電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)重難點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)逆變電路，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路和電路保護(hù)模塊三大部分。驅(qū)動(dòng)逆變電IR2130驅(qū)動(dòng)芯片，它是專用的三相橋式電路驅(qū)MOSFETIGBTMCT等，而且只需一個(gè)供電電源，工作頻率從幾十赫茲到上百千赫茲，內(nèi)部還設(shè)置有過流和欠壓保護(hù)使得在驅(qū)動(dòng)功率管時(shí)更加安全可靠。驅(qū)動(dòng)橋式電路常用方案有：三相半橋驅(qū)動(dòng)，電容儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)和三相全橋驅(qū)動(dòng)。三相全橋驅(qū)動(dòng)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(dòng)小于三相半橋驅(qū)動(dòng)，復(fù)雜性與可靠性上也優(yōu)于電容儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)，而且起動(dòng)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(dòng)芯片和驅(qū)動(dòng)橋式電路(只接了一相的上下橋臂)的硬件電路設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路用于測(cè)取電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)信息，從而獲得轉(zhuǎn)子位置，而且是通過檢測(cè)電機(jī)的端電壓來實(shí)現(xiàn)的。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。電機(jī)ABCAIR2130BC相驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)PWMBPWMC通過與非門反相，得到B、CPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)相與的波形，然后跟單片機(jī)輸出控Ctr_A時(shí)，D觸發(fā)器時(shí)鐘端為B、CPWM驅(qū)動(dòng)波形相與的信0，DDDDD器輸出，這樣可以很大程度的避免反電動(dòng)勢(shì)虛假過零點(diǎn)對(duì)零點(diǎn)信息測(cè)量的影響。電流保護(hù)電路包括兩個(gè)部分。第一部分如圖3所示。R7R8R9IR2130IR2130FAULTMCU發(fā)出報(bào)警信號(hào)，由此完成第一部分電流保護(hù)功能且要通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具體的功能響應(yīng)。第二部分電流保護(hù)主5R10RllLM393Verf進(jìn)行比較，當(dāng)驅(qū)動(dòng)橋電流過大時(shí)，LM393Q1Q2、Q3MOS管的MOS管的目的。MCUPWMMOSMOS管，由此設(shè)計(jì)了邏輯保護(hù)電路模塊，使得同一橋MOS1所示。表1輸入輸出邏輯關(guān)系1l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。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)MCU1200導(dǎo)通型控制方式。它們?cè)诳刂菩阅苌舷嗖畈淮螅?200導(dǎo)通型控制方式，控制規(guī)律為：(1)600換流一次;(2)任何時(shí)候只有兩只開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通;(3)12001200MOS管對(duì)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：T2MOS2所示。表2MOS管導(dǎo)通規(guī)律采用反電動(dòng)勢(shì)法控制直流無刷稀土電機(jī)，在起動(dòng)時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速很小，無法獲得反電動(dòng)勢(shì)，因此電機(jī)起動(dòng)順利完成要通過軟件編程實(shí)現(xiàn)。常用的起動(dòng)方式有：外同步驅(qū)動(dòng)起動(dòng)方式和預(yù)定位起動(dòng)方式。外同步驅(qū)動(dòng)方式指以變頻方式同步拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這種起動(dòng)方式的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向是不可知的，轉(zhuǎn)子可能順時(shí)針旋轉(zhuǎn)也可能逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);另外，如果頻率上升太快，電機(jī)很容易失步。預(yù)定位方式起動(dòng)是在起動(dòng)開始時(shí)給電機(jī)一個(gè)確定的通電狀態(tài)，使轉(zhuǎn)子定位。然后改變電機(jī)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(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中把電機(jī)切換到無刷電機(jī)運(yùn)行方式。這樣，一方面使繞組中具有一定大小的反電勢(shì)信號(hào)，另一方面電動(dòng)勢(shì)的相序是固定的而非隨機(jī)的，保證電機(jī)有一個(gè)確定的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的順利起動(dòng)?？偨Y(jié)采用以上分析設(shè)計(jì)的控制方案控制直流無刷稀土電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了反電動(dòng)勢(shì)法無傳感器控制方式。同時(shí)采用兩個(gè)電流保護(hù)模塊，一個(gè)從硬件上實(shí)現(xiàn)保護(hù)，一個(gè)從軟件方面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)保護(hù)，使得電機(jī)在外電路過流與直通發(fā)生時(shí)能更好的保護(hù)整個(gè)控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，相比較于只采用硬件保護(hù)電路或軟件保護(hù)的反電動(dòng)勢(shì)控制方法更加靈