孟 楠 王淑紅

（太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024）

1 引言

隨著電力電子技術(shù)、功率半導(dǎo)體技術(shù)和高性能的磁性材料制造技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，因此使這種電動(dòng)機(jī)不僅保留了直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且又具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，使它一經(jīng)出現(xiàn)就以極快的速度發(fā)展和普及。目前無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)已廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、辦公自動(dòng)化設(shè)備、家電、音像設(shè)備、汽車、

電動(dòng)自行車、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備等方面和領(lǐng)域[1]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，而這些研究都是針對(duì)三相電機(jī)展開(kāi)的，本文要討論的四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，雖然其控制系統(tǒng)略比三相電機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜，可四相電機(jī)本身能很好的改善無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題，從而研究四相無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)就很有必要，使四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有更廣泛的應(yīng)用范圍。

2 四相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理及位置傳感器的安裝

具有梯形波反電動(dòng)勢(shì)的四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)主電路如圖1所示。該電路采用單相導(dǎo)通方式，每個(gè)換相時(shí)刻只有一個(gè)功率管導(dǎo)通，每個(gè)功率管導(dǎo)通90°電角度，功率管開(kāi)通的邏輯順序?yàn)椋篢1→T3→T2→T4[2]。

圖1 系統(tǒng)主電路圖

本系統(tǒng)采用的是開(kāi)關(guān)型霍爾位置傳感器，位置傳感器的基本功能是在電動(dòng)機(jī)的每個(gè)電周期內(nèi)，永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一對(duì)磁極（N、S極）的轉(zhuǎn)角，就要產(chǎn)生出與電機(jī)邏輯狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)數(shù)，以完成電動(dòng)機(jī)的一個(gè)換相全過(guò)程。開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器是一個(gè)雙值元件，一個(gè)雙值元件僅有“0”和“1”兩種狀態(tài)，n個(gè)雙值元件則可組成2n種狀態(tài)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的邏輯狀態(tài)數(shù)確定所需霍爾元件的最少個(gè)數(shù)[3]。對(duì)于四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，四種邏輯狀態(tài)就可以完成一個(gè)換相過(guò)程，所以本系統(tǒng)安裝了兩個(gè)霍爾傳感器。

把每個(gè)霍爾元件所產(chǎn)生的波形等分成電動(dòng)機(jī)所需要的邏輯狀態(tài)數(shù)，然后把它們相互錯(cuò)開(kāi)一定的位置角后組合在一起，如果最終能產(chǎn)生所要求的開(kāi)關(guān)狀態(tài)數(shù)，則這個(gè)位置角就是可取的。據(jù)此本系統(tǒng)的兩個(gè)位置傳感器按空間相隔90°電角度安裝。

定子四相繞組反電動(dòng)勢(shì)及電流波形如圖2所示。

圖2 理想反電動(dòng)勢(shì)及電流波形

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本文介紹的四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。主要有以下五個(gè)部分：電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、DSP主控部分、驅(qū)動(dòng)電路、四相半橋電路。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

具體控制過(guò)程如下：將兩個(gè)空間間隔 90°電角度分布的霍爾傳感器H1、H2的輸出信號(hào)經(jīng)上拉，電平轉(zhuǎn)化和濾波后送至 DSP具有捕捉功能的管腳CAP1、CAP2，向DSP提供轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。每一個(gè)霍爾傳感器都會(huì)產(chǎn)生180°電角度的交疊信號(hào)，如圖4所示。每個(gè)輸出信號(hào)的上升沿和下降沿都被檢測(cè)，從而產(chǎn)生了4個(gè)換相時(shí)刻。與EVA模塊相關(guān)的PWM1-PWM4管腳的輸出作為系統(tǒng)功率開(kāi)關(guān)管的換相控制信號(hào)，將PWM輸出與驅(qū)動(dòng)芯片IR2117直接相連，開(kāi)啟相應(yīng)的MOSFET，使電機(jī)各相繞組不斷地?fù)Q相通電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)四相繞組的自控變頻運(yùn)行。

驅(qū)動(dòng)芯片選用美國(guó)國(guó)際整流器公司的IR2117，一個(gè)IR2117驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)有過(guò)電流、過(guò)電壓保護(hù)。使用戶可方便的用來(lái)保護(hù)被驅(qū)動(dòng)的功率MOS管。本文只給出一個(gè)MOS管的驅(qū)動(dòng)電路，如圖5所示。

圖4 霍爾傳感器輸出信號(hào)

圖5 MOS管驅(qū)動(dòng)電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)要正常工作，僅有硬件電路是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要正確的軟件部分配合才能構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，使電機(jī)正常運(yùn)行。

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的軟件主要由主程序模塊和中斷服務(wù)程序模塊組成。其中主程序模塊包括DSP初始化、捕獲轉(zhuǎn)子初始位置、設(shè)置中斷邏輯。中斷服務(wù)程序主要是轉(zhuǎn)子位置信號(hào)捕獲中斷子程序。

系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

具體完成的功能由以下幾點(diǎn)：①DSP初始化：首先應(yīng)該關(guān)中斷，然后對(duì)用到的一些寄存器和功能模塊進(jìn)行初始化，包括看門狗、事件管理單元CAP和PWM等，最后再開(kāi)中斷；②捕獲當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由靜止不動(dòng)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)必須經(jīng)歷一個(gè)起動(dòng)過(guò)程，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的時(shí)候必須知道其初始位置，否則不能正確確定電流的初始流向，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)起動(dòng)不起來(lái)[4]。所以在主程序初始化完成后應(yīng)先讀取捕獲單元狀態(tài)，為電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)提供最初的轉(zhuǎn)子位置信息。捕獲單元狀態(tài)與開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)關(guān)系如表1所示。

表1 捕獲單元狀態(tài)與開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

TMS320LF2407A的事件管理器EV是專門為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的專用模塊，每個(gè)事件管理器都有三個(gè)捕捉單元，每個(gè)捕捉單元都能產(chǎn)生中斷，將CAP1,CAP2這兩個(gè)管腳設(shè)置成捕獲上下跳沿的功能，分別捕獲霍爾傳感器輸出的位置信號(hào)上下跳沿。電機(jī)每旋轉(zhuǎn) 90°電角度，其上下跳沿就會(huì)觸發(fā)一次事件管理器的該路位置信號(hào)的捕獲中斷。整個(gè)位置捕獲中斷程序流程圖如圖7所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

完成系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)后，進(jìn)行了硬件電路和軟件程序的聯(lián)調(diào)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，下面給出樣機(jī)調(diào)試過(guò)程中測(cè)得的一些波形圖，并做出簡(jiǎn)要的說(shuō)明。

圖7 捕獲中斷流程圖

圖8所示是霍爾傳感器的輸出信號(hào)。圖中兩路信號(hào)分別是兩個(gè)霍爾元件的輸出信號(hào)。

圖8 霍爾傳感器輸出波形

圖9是各相繞組的觸發(fā)信號(hào)波形。

圖9 各相繞組的觸發(fā)信號(hào)波形

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，霍爾傳感器輸出信號(hào)正確地反映了轉(zhuǎn)子位置信號(hào)；轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)90電角度，只有一個(gè)功率管導(dǎo)通，為電機(jī)相繞組的換相提供了正確換相信號(hào)。實(shí)踐證明采用電機(jī)控制專用芯片DSP后，簡(jiǎn)化了本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)適合于小功率無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制，同時(shí)，也可推廣到其它工業(yè)領(lǐng)域，如機(jī)床、電梯驅(qū)動(dòng)等。

[1] 王曉明,王玲.電動(dòng)機(jī)的 DSP控制[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[2] 王麗梅,王淑紅.重疊換相技術(shù)在四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用研究[J]. 電氣技術(shù), 2009(12):45-48.

[3] 楊培雙.無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中霍爾傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].機(jī)電設(shè)備, 2010(3):29-31.

[4] 魯宗峰. 基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[D].哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.