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1 引言 無刷直流電機既具有交流電機結構簡單、運行可靠、維護方便等優點，又具有直流電機運行效率高、無勵磁損耗、調速性能好的特性，因此在各行業中的應用日益廣泛。無刷直流電機是一種特殊的永磁同步電機，傳統的無刷直流電機大多數采用位置傳感器確定轉子位置，并據此控制驅動電路換相。由于位置傳感器的存在，增加了電機體積和成本，降低了電機可靠性，限制了某些場合的應用。 本文給出一種基于反電動勢過零點檢測法控制無刷直流電機的實現方法，該方法所需硬件簡單。軟件功能強大。 2 無刷直流電機的結構 無刷直流電機由電機本體、轉子位置檢測電路以及電子開關電路3部分組成。其示意圖如圖1所示。 電子開關電路主要作用是控制電機本體定子各相繞組的通電順序和時間，主要由功率管、驅動電路以及轉子位置信號處理模塊構成。轉子位置檢測電路主要作用是實時檢測轉子位置，為換相提供依據。電機本體由定子線圈繞組與永磁轉子構成。電機本體結構如圖2所示。 3 無刷直流電機工作原理 有刷直流電機通過電刷實現轉子繞組的換相，產生旋轉磁場，且定子磁場與轉子磁場方向垂直，從而使轉子旋轉。無刷直流電機工作過程與此類似，不同之處在于通過電子開關電路控制定子換相，使定子繞組產生旋轉磁場，使得永磁轉子旋轉。由此可見，無刷直流電機中，轉子位置非常重要，否則不能準確控制換相時間，導致電機不能輸出最大轉矩，甚至不能運轉。 4 反電動勢過零點檢測法 要實現無位置傳感器無刷直流電機的控制，關鍵問題是如何獲得轉子的位置信息。由于永磁轉子旋轉產生旋轉的磁場，定子繞組切割該磁場，感應出電動勢，該電動勢就是反電動勢。反電動勢過零點檢測法是一種常用的方法，由無刷直流電機結構可知，反電動勢過零點與轉子位置有對應關系，通過對定子繞組上反電動勢的檢測得到過零點，就可以得到轉子位置信息，由此控制換相。 以三相Y型連接，兩兩導通為例說明反電動勢與換相的關系以及反電動勢檢測方法。電機主回路電路如圖3所示。 轉子以ω角速度運轉時，各相產生的反電動勢波形如圖4所示，Ea、Eb、Ec分別為a、b、c相的反電動勢。 當某一相的反電動勢出現過零點后，再延遲30°電角度就是換相時刻。因此只要能檢測到反電動勢的過零點，根據當時的轉速，延時轉子轉過30°的時間，控制圖3中Q1至Q6的通斷，就可實現換相。 實際中，電機反電動勢不能直接檢測，只能間接獲取。由電機三相端電壓平衡方程可以推導出在反電動勢過零點附近有： 其中，Ua、Ub、Uc為a、b、c相的端電壓。 通過檢測相電壓，再根據式(1)、(2)、(3)很容易得到反電動勢過零點，再延時30°電角度換相，就可以使勵磁與轉子同步。 5 系統硬件設計 采用Microchip公司的DSPIC30F3010微控制器實現無刷直流電機的控制。dsPIC30F3010具有6路10位A／D、專門針對電機設計的6路PWM模塊、5路16位定時器、24 KB Flash程序存儲器以及1 KBRAM。其硬件電路圖如圖5所示。
用AN2、AN3、AN4實現電機端電壓檢測，得到反電動勢過零點。采用PWM模塊控制6個MOS-FET通斷，就可實現換相。采用不同的占空比就可實現對電機調速。 通過對阻值為0.1Ω的電阻端電壓的檢測獲取過流、過載信息，根據電機的實際情況調整放大倍數和比較器的參考電壓。 因電機反電動勢通常比5 V高，故必須通過電阻分壓后才能進行A／D轉換，分壓電阻根據電機母線電壓不同取不同值，只要能保證分壓后的電壓在微控制器的允許范圍內即可。 3相逆變橋由6個MOSFET構成，本系統設計采用IR2407，它可承受600 V電壓，電流達49 A。PWM驅動器由3片IR2110構成。 由于dsPIC30F3010為28引腳器件，I／O口有限，不能設計人機接口，因此，需采用RS-232接口與PC機連接，通過超級終端軟件實現人機對話。 6 系統軟件設計 軟件由初始化模塊、啟動模塊及無傳感器運行模塊構成。因電機啟動時轉速很低，反電動勢很小，故反電動勢過零點檢測法失效。只能用開環控制電機，當電機達到一定轉速后切換到閉環控制，采用反電動勢過零點檢測法檢測轉子位置，所以啟動模塊是必須的。軟件主程序流程如圖6所示。 在反電動勢過零點檢測模塊中，對經電阻分壓后的端電壓進行A／D轉換，再根據式(1)、(2)、(3)計算各相反電動勢，如果某相的反電動勢為零，則該時刻對應著該相反電動勢過零點。如果三個值都不為零，則說明換相時刻還沒有到來，不需要換相。這就要求對端電壓分壓的電阻必須對稱，以減小誤差，且A／D轉換頻率應該與電機轉速相匹配。 7 結束語 實驗證明，該無刷直流電機硬件結構簡單、可控性好。低速啟動時，電機性能不如有傳感器無刷直流電機，但啟動后性能與有傳感器相當。無傳感器無刷直流電機可在惡劣的工作環境下工作，受干擾比較小，可靠性高，成本低，具有較廣闊的市場前景。 |
