反電動(dòng)勢法”永磁直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、O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?！　?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

2、廣泛使用且較為新穎的一類控制方式，包含有：反電動(dòng)勢控制方法、磁鏈計(jì)算法、狀態(tài)觀測器法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)控制法等。反電動(dòng)勢控制方法中對(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?！　?控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)　　本系統(tǒng)采用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)電路，控

3、制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。由轉(zhuǎn)速參考值n0與實(shí)際轉(zhuǎn)速的反饋值n相比較，得到的偏差送到轉(zhuǎn)速控制器，經(jīng)過相應(yīng)的計(jì)算后輸出控制信號(hào)到PWM控制器，PWM控制器則產(chǎn)生三相橋試逆變器主開關(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，由定子電樞合成磁勢帶動(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

4、知反電動(dòng)勢的波形為一梯形波，而且電機(jī)中A、B、C三相是對(duì)稱的，它們的反電動(dòng)勢只在相位上依次落后120度。再考慮到定子每相繞組的反電動(dòng)勢正比于轉(zhuǎn)子角速度，有圖2所示關(guān)系?！　∮纱说贸龇措妱?dòng)勢法控制規(guī)律的重要結(jié)論為：通過測量反電動(dòng)勢獲取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，并不是測量反電動(dòng)勢大小，而是反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)信號(hào)，當(dāng)反電動(dòng)勢出現(xiàn)過零點(diǎn)后再延時(shí)30度電度角就是轉(zhuǎn)子電流下一次換相時(shí)刻。但反電動(dòng)勢無法直接測量得到，可通過測量電機(jī)端電壓來間接獲取電機(jī)反電動(dòng)勢?！　?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

5、位置檢測電路和電路保護(hù)模塊三大部分。驅(qū)動(dòng)逆變電路包含驅(qū)動(dòng)芯片和驅(qū)動(dòng)橋式電路兩個(gè)部分，驅(qū)動(dòng)芯片采用IR2130驅(qū)動(dòng)芯片，它是專用的三相橋式電路驅(qū)動(dòng)芯片，可以直接驅(qū)動(dòng)中小容量的MOSFET、IGBT、MCT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)，

6、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)。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。　　轉(zhuǎn)子位置檢測電路用于測取電機(jī)反電動(dòng)勢過零點(diǎn)信息，從而獲得轉(zhuǎn)子位置，而且是通過檢測電機(jī)的端電壓來實(shí)現(xiàn)的。電路設(shè)計(jì)如圖4所示?！　‰姍C(jī)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(dòng)控制信號(hào)PWMB和PWMC通過與非門反相，得到B、C兩相上

7、橋臂的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)相與的波形，然后跟單片機(jī)輸出控制口信號(hào)Ctr_A相與。當(dāng)單片機(jī)輸出控制口為l時(shí)，D觸發(fā)器時(shí)鐘端為B、C兩相PWM驅(qū)動(dòng)波形相與的信號(hào)；當(dāng)單片機(jī)輸出口為0時(shí)，D觸發(fā)器時(shí)鐘端為低電平，封鎖D觸發(fā)器輸出，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(jī)輸出口，使得每個(gè)狀態(tài)，只有一個(gè)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(dòng)勢虛假過零點(diǎn)對(duì)零點(diǎn)信息測量的影響。　　電流保護(hù)電路包括兩個(gè)部分。第一部分如圖3所示?！　⊥ㄟ^R7、R8、R9三個(gè)電阻將驅(qū)動(dòng)橋的電壓信號(hào)采

8、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(dòng)輸出口，同時(shí)引腳FAULT向MCU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)主要針對(duì)驅(qū)動(dòng)橋，電路設(shè)計(jì)如圖5所示。保護(hù)電路通過R10于Rll將驅(qū)動(dòng)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(jìn)行比較，當(dāng)驅(qū)動(dòng)橋電流過大時(shí)，LM393輸出高電平，使得Q1、Q2、Q3都導(dǎo)通，由此降低下橋