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反电动势法_永磁直流无刷电机控制系统设计

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反电动势法_永磁直流无刷电机控制系统设计

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普通 直流 电机 调试性 能好 、 调速 范 围 宽和 调速 方式简单的特 点外 , 还有功率 因素 高 、 转动惯量 小 、 运行效率高等优 点, 特别是 由于它不存在机械换相器与电 刷 , 大 大 的减 少 了换 相 火 花 , 机械 磨 损 和 机 械 噪 声【 使 , 得 它 在 中小 功率 范 围 内得 到 了更加广泛 的应 用 , 是 电机 的 主要 发展方 向之一 。 对 于 永 磁 直 流 无 刷 电机 的控 制 方式 , 可 以分 为 两 大 类 有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式 。 典型 的有位 置传感器控 制方式是使 用霍 尔传感器控制方 式 。 无 位 置 传 感 器 控 制 方 式 是 目前 比较 广 泛 使 用 且 较 为 新颖 的一类 控 制方 式 , 包 含有 反 电动 势控 制 方法 、 磁 链计算法 、 状 态观测器法和 人工神经 网络 控制法 等 。 反 电动 势 控 制 方 法 中对 驱 动 桥 和 电机在 外 电路 过流 时 的保 护 极 为重要 , 对 软件 发 生错 误动 作 时 负载 的保 护 也提 出 了较 高 的要求 , 本文采用 反 电动 势控 制 方法 , 以 直 流 无刷 稀 土 电机 为研 究对 象 , 设计 了两 个 电流保护模 块 和 一 个 数 字 逻 辑 保 护 电路 , 提 高 了系 统 工 作 时 的安 全 性 , 具 有 较 大 的研 究 意 义 。 控制系统总体设计 本系统采 用 反馈 控制方式 的典型 闭环 调速 系统 其 中还 创 新 性 的加 入 了逻 辑 保 护 电路 和 两 路 电流 保 护 电 崖盆 路 , 控制系统 总体设计 框 图如 图 所示 。 由转速 参考值 与实际转速 的反馈值 相 比较 , 得到的偏差送 到转速控制 器 , 经 过 相应 的计 算后 输 出控 制信号 到 控制器 , 控制器 则产 生 三 相桥试 逆 变器 主 开关 的控制信号 , 然后 由主 开 关完成 对 永磁 无刷直流 电机定 子 电流 的通 断 , 并 产 生平 均 意 义 上 旋转 的定 子 电枢合 成 磁 势 , 由定子 电枢 合成 磁 势 带动永磁 体转子 旋转 , 实现 了永磁 无刷直流 电 平稳性都较好 , 因此本系统采用此方案 。 如 图 所示 , 为 驱 动 芯 片和 驱 动桥式 电路 只 接 了一 相 的上 下 桥臂 的硬 件 电路设计 。 豁 乳 一 可 洲 至电机 研 究对 象 永磁 直流 无 刷稀 土 电机将磁 体粘 贴 到转子 铁心 表面 , 组成所谓 的隐极式转子结构 。 其定子三相对 称 绕组 采用整距 、 集 中绕组 , 无 中线 引 出线 , 由 电机 学 原理 可知反 电动势 的波形 为一 梯形波 , 而且 电机 中 、 、 三相 是对称 的 , 它 们 的反 电动势只在相位上 依次落后 度 。 再考 虑到 定子每相 绕组 的反 电动 势正 比于 转 子 角 速 度 〔 〕, 有 图 所 示关 系 。 — —— — — 卜 ‘一司卜王二二卜动 一一 一 图 驱 动芯 片 电路 设 计 一本一一 转 子 位 置 检 测 电路 用 于 测 取 电机 反 电动 势 过 零 点信 息 , 从 而 获得转 子位 置 , 而 且 是 通 过检 测 电机 的端 电压 来 实现 的 。 电路 设计如 图 所 示 。 ’ 〕 图 反 电动 势 与转子位 置 关系 由此 得 出反 电动 势 法 控制 规律 的重 要 结论 为 通 过 测量 反 电动 势获取 转子位 置信 号 , 并不 是测量 反 电动势 大 小 , 而 是 反 电动 势 的过 零 点信 号 , 当反 电动 势 出现 过 零 点后 再延 时 度 电度 角就 是 转 子 电流 下 一 次换相 时刻 〕。 但 反 电动势 无法 直接测量 得到 , 可通 过 测量 电机端 电压来 间接 获取 电机反 电动 势 。 系统硬件设计 该 系统 硬 件 电路设 计 重 难 点在 于 驱 动逆 变 电路 , 转 子位 置检测 电路和 电路保护模块三大部分 。 驱动逆变 电 路包 含 驱动 芯片和 驱 动桥式 电路 两个部分 , 驱动 芯 片采 用工 驱 动芯片 , 它是 专用 的三相桥 式 电路驱动 芯片 , 可 以直接驱动 中小容量 的 、工 、 等 , 而且只 需一个供 电电源 , 工作频率从几十赫兹到上 百千赫 兹【 , 内部还 设置 有 过流 和 欠压保 护 使得 在驱动 功率管 时更加 安全可靠 。 驱 动 桥 式 电路 常 用 方案有 三 相 半桥 驱 动 , 电容 储 能驱 动和 三 相全 桥 驱 动【 〕。 三相 全 桥驱 动 由六 只 功 率 管 构成 三相 六 臂全控 桥 , 虽然 增 加 了功率 开 关管 的数 量 , 但 增 大 了转矩输 出且转矩 波 动 小于三 相 半桥驱动 , 复杂 性与可靠性上 也优 于 电容储 能驱动 , 而且起动特性和低速 图 转子 位 置检 测 电路 电机端 电压 检测共分 为 、 、 三 相 , 现 以 相 为例 , 先将输入 到 工 的 和 相驱动控制信号 和 通 过与非 门反相 , 得到 、 两相 上桥臂的 驱动信号相 与 的波形 , 然后跟 单片机输 出控制 口 信 号 相与。 当 单片机 输 出控制 口 为 时 , 触 发器 时钟 端 为 、 两 相 驱动波形相与 的信号 当单片机输 出 口 为 时 , 触 发 器 时钟 端 为低 电平 , 封 锁 触 发器 输 出 , 使 触 发器 输 出保持不变 , 从而通 过编写软件控 制单 片机输 出 口 , 使 得每个状态 , 只有一个 触发器 开通 , 且在续流 阶段封锁 触 发器输 出 , 这 样可 以很大 程度 的避 免反 电动 势虚 假 过 零 点对零 点信息测量 的影响 。 电流 保 护 电路包 括 两 个部 分 。 第 一 部 分 如 图 所 示 。 通过 、 、 三个 电阻将驱 动桥 的 电压信号采集 到 中 , 一 旦 外 电路 发 生 过 流 或 直 通 , 内部 的 电流 比较器迅速 翻 转 , 故 障 处 理单 元输 出低 电平 , 封 锁 驱动输 出 口 , 同时引脚 向 发 出报 警信 号 , 由此 完成第一部分 电流保护功 能且要通过软件 设计 实现 具体 的功 能 响应 。 第 二 部 分 电流 保护 主 要针 对 驱 动 桥 , 电路 设计如图 所示 。 参见右栏 保护 电路通 过 于 将 驱 动 桥 下 桥臂 的 电压采集 到 的 正 向输 入 端 , 可 以和 事 先 设 定 的 进行 比 较 , 当驱 动 桥 电流过 大 时 , 输 出高 电平 , 使 得 、 、 都 导通 , 由此 降低 下 桥 臂 管 的栅 源 电压 , 达 到 保护 管 的 目的 。 三相全桥 的驱动控制 是 由 通过 方式实现 的 , 困盆 一 几 当软件运 行 出现 错 误 时 , 可 能会使得 同一桥臂 的上 下两 个 管 同时导通 , 这将造 成短 路 , 极 易烧坏 管 , 由 此 设计 了逻 辑 保 护 电路模 块 , 使得 同一 桥 臂上 下 两 个 管 不 会 出现 同 时导通 的情 况 。 逻 辑保 护 电路 输入 与输 出 的逻辑 关 系如 表 所示 。 表 输入输出逻辑关系 六路输 一斗 、 一 入信 号 、 逻辑 六路 输 、 关系 出信号 、 通 过表 的逻 辑 关 系 , 同一 桥 臂 上下桥 臂 的输入 信号 互 锁 , 使得 不 会 出现 同 时导通 的情况 。 硬 件 电路 的连 接 由表 逻 辑关系而定 , 而 且可 以通过 与非 门电路搭 建而 成 , 在此不再详述 。 系统软件设计 输 出控 制 信 号控 制三 相 全 桥驱 动 逆 变 电路 , 在软 件 实现上 可 以采 用 不 同的控 制规律 , 常用 的控 制方式有 三三 导通控制方 式 , 两三轮流 导通控制方 式和 导通 型 控 制 方 式 「 」。 它 们在 控 制 性 能上 相差 不 大 , 本 系统采 用 导通型控制方式 , 控制规律为 每隔 换流 一次 任何时候只有两只 开关器件 同时导通 每 个 开关 器件 导通 根 据 硬 件 电路 的设计 和 导通 型控制规律 , 桥臂 与 管对应关系为 上桥臂 , 下桥臂 上 桥臂 , 下桥臂 上桥臂 , 下桥臂 。 各 管导通顺序如表 所示 。 表 管导 通规律 状态 状态 状态二 状态三 状态四 状态五 状态六 导通 , , , , , , 管 电流 方 向 , 一, · , 人一, , 一, 采 用反 电动势法控 制直流无刷稀土 电机 , 在 起动 时 , 由于 电机 转 速 很 小 , 无 法 获 得 反 电动 势 , 因 此 电机 起 动 顺 利 完 成 要 通 过 软件 编程 实现 。 常用 的起 动 方 式有 外 同步驱动起动方式和预定位起动方式 〔, 。 外 同步驱 动 方 式 指 以变 频 方 式 同步拖 动 电机 转 子 旋 转 , 这 种 起 动 方 式 的缺 点是 转 子 的旋转 方 向是 不 可 知 的 , 转 子 可 能顺 时针旋转 也可能逆 时针旋转 另外 , 如果频率上升太快 , 电机 很 容 易 失步 。 预 定 位 方 式起 动是在起 动 开 始 时给 电 机 一 个确 定 的通 电状 态 , 使转 子 定位 。 然 后 改变 电机 的 通 电状态 , 在 电磁 力矩 的作用 下使转子 向确定方 向转动 , 在 转动 过程 中把 电机切换 到无刷 电机运行方 式 。 这样 , 一 方面 使绕组 中具有一 定 大 小 的反 电势信 号 , 另一 方 面 电 动 势 的相 序 是 固定 的而 非 随机 的 , 保证 电机有 一 个确 定 的转 向 , 实现 电机 的顺利起 动 。 总结 采用 以上分析设计 的控制方 案控制直流无 刷稀土 电 机 , 实现 了反 电动 势法 无 传 感器 控 制 方式 。 同 时采用 两 个 电流 保护 模块 , 一 个 从 硬 件 上 实现 保护 , 一 个 从 软件 方 面 设计 实现 保 护 , 使得 电机在 外 电路 过 流 与直 通 发 生 时能更好 的保护整个控制系统 的安全运行 , 相 比较于只 采用硬件保护 电路或软件 保护 的 反 电动势控制方 法 更加 灵 活 安全 。 还 特别 的加 入 了逻 辑 保护 电路模块 使得在 软 件 出现 问题 时 能保 护 驱 动 电路 和 电机 的安全 。 整 个 系统 在分析设计 方面 还 有 改进 的空 间 , 希望 其他读 者 能从 以 下方面进 行 改进 。 更好 的解 决反 电动 势虚 假过 零 点 问题 。 有待研 究更快更好 的启动方法 。 参考文献 「」刘锦波 , 张 承 慧 电机与拖 动 〔 」清华 大学 出版 社 , 第版 〔 〕谢运 祥 工 驱动器及 其在逆变器 中的应 用 〔 〕 微 电机 , 第 卷 第 期 , 年 〔 」召肠刚 , 石 山 种 新 的无刷直流 电动机的起动方法研 究 微特 电机 , 〕郝卫 生 稀土 永磁 无刷直流 电机 的计算机控 制技术 研 究 〔 〕西 北 工业 大学硕 士 学位 论 文 【 洪 南 生 , 吴汉 光 永磁 无刷直 流 电机控 制系统 」 微特 电机 , 作者简介 王鸿 一 男 , , 硕 士研 究生 , 主要研 究方 向为控 制理论与控制工程 浏饭

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