莊乾成，杜豫平

（蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信與信息工程系，吳江 215200）

0 引言

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單以及運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗、控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于電動(dòng)汽車、儀器儀表、輕紡等行業(yè)，而無(wú)位置傳感器的永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)具有成本小、維護(hù)方便， 抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為其發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)主要研究對(duì)無(wú)位置傳感器的永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的工作原理、速度控制以及位置檢測(cè)等。

1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制分為全橋式和半橋式，而按電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)分星型和三角形，全橋星型接法的電動(dòng)機(jī)有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，輸出轉(zhuǎn)矩大特點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)采用三相全橋星型電機(jī)，如圖1所示，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)通過位置檢測(cè)電路檢測(cè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)端電壓，經(jīng)微處理器運(yùn)算后得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，再由驅(qū)動(dòng)電路按轉(zhuǎn)子位置信號(hào)輪流導(dǎo)通功率逆變橋的六個(gè)功率管，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)三相繞組的通電，三相橋式星型結(jié)構(gòu)的無(wú)刷電機(jī)任意時(shí)刻兩相繞組導(dǎo)通，第三相處于懸空狀態(tài)，功率管有6種觸發(fā)狀態(tài)，每次只有兩只管子導(dǎo)通，每隔1/6周期（60°）電角度換向一次，每次換向一個(gè)功率管，每一個(gè)功率管導(dǎo)通120°電角度，所以每次只有兩相導(dǎo)通，另一相截止，導(dǎo)通相電流大小相等，方向相反，非導(dǎo)通相電流為零。如設(shè)無(wú)刷直流電機(jī)開始導(dǎo)通A,B相，此時(shí)功率管T1和T6導(dǎo)通，電流由A流入，由B相流出，此狀態(tài)維持60°電角度后開始換相，T6關(guān)斷，T2導(dǎo)通，此時(shí)導(dǎo)通相為A,C相，同樣維持60°電角度后開始換相，依次各功率管導(dǎo)通順序?yàn)椋篢1T6—T1T2—T3T2—T3T4—T5T4—T5T6—T1T6 完成一個(gè)周期轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)硬件驅(qū)動(dòng)電路

如圖2所示，電路主要器件為IR2130和MOSFET功率管（T1-T6）,其中驅(qū)動(dòng)芯片IR2130可直接驅(qū)動(dòng)高達(dá)600V電壓的高壓系統(tǒng)，并且最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為250mA，反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為500mA，具有電流放大和過電流保護(hù)功能，同時(shí)關(guān)斷六路輸出，具有欠壓鎖定功能并能及時(shí)關(guān)斷六路輸出; MOSFET功率管采用STP75NF75,其具有較快的開關(guān)速度，內(nèi)部具有反向快速恢復(fù)二極管，對(duì)MOS管具有很好的保護(hù)作用，信號(hào)PWM1—PWM6 需經(jīng)過隔離和緩沖器件后接控制器，F(xiàn)AULT引腳接控制器中斷輸入以處理過流保護(hù)程序，旁路電阻R7主要用來(lái)對(duì)電路電流進(jìn)行采樣，阻值為48Ω,其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后需經(jīng)過放大一定倍數(shù)后接入控制器。

傳統(tǒng)無(wú)刷直流電機(jī)需要靠位置傳感器來(lái)得到轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，并對(duì)電機(jī)三相繞組進(jìn)行換相控制，但傳感器增加了體積，成本，且受運(yùn)行環(huán)境干擾影響，而采用過反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)繞組位置成為發(fā)展趨勢(shì)，無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在工作過程中，其繞組具有梯形反電動(dòng)勢(shì)和方波電流（如圖3所示），任何時(shí)刻只有兩相繞組導(dǎo)通，期間電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)120°電角度，此時(shí)另一組斷開因此沒有電流，故其端電壓反映該繞組反電動(dòng)勢(shì)大小即為零，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周各繞組反電動(dòng)勢(shì)將兩次經(jīng)過零點(diǎn)， 并且其反電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過過零點(diǎn)時(shí)領(lǐng)先該相繞組轉(zhuǎn)換信號(hào)30°電角度。因此根據(jù)各繞組反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)（相對(duì)于定子繞組中心點(diǎn)）檢測(cè)即可用于處理器控制產(chǎn)生繞組換相信號(hào)。但由于定子繞組中心點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)很難直接測(cè)量，但是可以通過對(duì)相關(guān)信號(hào)處理間接得到定子繞組中心點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)；如圖4所示為電機(jī)A相電路示意（B相、C相同理），Va為A相電壓，R、L分別是電機(jī)A相線圈等效電阻和電感，Ea為A相反電動(dòng)勢(shì)，Vn是電機(jī)定子繞組中心點(diǎn)對(duì)地電壓，由圖分析可知A相電壓方程式：

同理B相和C 相電壓方程分別為：

因?yàn)殡姍C(jī)運(yùn)行時(shí)，每一時(shí)刻只有兩相繞組導(dǎo)通，并且這兩相繞組電流幅值相同而方向相反，此時(shí)第三相電流為零，因此以上三個(gè)方程相加得到：

三相電機(jī)任何一相經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)瞬間時(shí)Ea+Eb+Ec=0,因此過零點(diǎn)時(shí)可得到定子繞組中心電壓計(jì)算方程為：

由圖5可知，某相電流為0時(shí)，其反電動(dòng)勢(shì)也 為 0， 如 Ea=Va-Vn， 當(dāng) Va=Vn時(shí)，En=0,因此根據(jù)各相電壓檢測(cè)，則定子中心電壓即可得到，當(dāng)相端電壓和定子中心電壓相等時(shí)，即檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)波形可知，延時(shí)30°電角度后即為換相點(diǎn)。具體檢測(cè)電路如圖5所示，相電壓經(jīng)過電阻分壓后進(jìn)行濾波得到Va′信號(hào)，并與Vn′信號(hào)通過比較器得到方波信號(hào)，并經(jīng)過光耦隔離后信號(hào)送DSP檢測(cè)處理，途中Vb′、Vc′分別為Vb、Vc經(jīng)過相同電路濾波得到的信號(hào)。

3 無(wú)傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)速度控制

無(wú)傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)速度控制是直流電機(jī)控制器根據(jù)給出的速度作為參考速度，采用雙閉環(huán)控制即速度閉環(huán)和電流內(nèi)環(huán)如圖6所示，控制器根據(jù)給定的參考速度和實(shí)際檢測(cè)速度之差進(jìn)行比例積分運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制；電流調(diào)節(jié)同樣采用比例積分微分調(diào)節(jié)方式根據(jù)計(jì)算結(jié)果，配置合適的PWM占空比，使電機(jī)在啟動(dòng)和加速時(shí)能起到限流和限幅作用，使繞組電流快速達(dá)到和穩(wěn)定在最大值，對(duì)電機(jī)起到保護(hù)作用， 同時(shí)對(duì)電源和負(fù)載擾動(dòng)等抗干擾能力得到增強(qiáng)。設(shè)計(jì)中，速度比例微分積分（PID）調(diào)節(jié)和電流比例微分積分（PID）調(diào)節(jié)均采用軟件實(shí)現(xiàn)。

速度PID調(diào)節(jié)是一種線性控制，其控制模型如圖6所示，其根據(jù)給定參考速度值v1(t)和實(shí)際檢測(cè)值v2(t)之間的差值：

圖6 系統(tǒng)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

其差值按照比例積分微分進(jìn)行組合，計(jì)算出控制量u(t)，并通過控制此控制量來(lái)達(dá)到被控值對(duì)象的控制，輸入輸出關(guān)系為：

其中kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。

比例調(diào)節(jié)相當(dāng)于控制系統(tǒng)的粗調(diào)，可以是系統(tǒng)控制的比較穩(wěn)定，而積分調(diào)節(jié)則是相當(dāng)于微調(diào)，能保證系統(tǒng)調(diào)節(jié)比較準(zhǔn)確，微分調(diào)節(jié)則保證系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度較快，從上式可以看出影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)三個(gè)參數(shù)分別為kp、Ti、Td，為了更好的達(dá)到控制效果，必須對(duì)此參數(shù)進(jìn)行整定。本設(shè)計(jì)主要采用Ziegler-Nichols整定法，整定在仿真過程中首先將常數(shù)Ti置無(wú)窮大，微分時(shí)間參數(shù)Td置零，比例參數(shù)kp置一定值，運(yùn)行系統(tǒng)；然后將kp逐漸減小，直至得到等幅震蕩過程，記下臨界增益ku即臨界周期Tu；最后根據(jù)ku、Tu值按照表1中經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算kp、Ti、Td參數(shù)。

表1 Ziegler-Nichols法參數(shù)整定

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖8為每相繞組電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)波形，Va′、Vb′、Vc′是各項(xiàng)端電壓經(jīng)過濾波后得到信號(hào)，而Vn′是轉(zhuǎn)子中心點(diǎn)電壓信號(hào)，CAP1、CAP2、CAP3是檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置輸入信號(hào)，T1 T6是6個(gè)從DSP輸出的用于觸發(fā)MOSFET功率管的脈沖信號(hào)，通過波形可知過零檢測(cè)控制比較理想。系統(tǒng)根據(jù)此種算法通過Matlab仿真如圖9所示，可知電流曲線比較理想，在速度為1500/r情況下快速平穩(wěn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)控制器設(shè)計(jì)、反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)以及速度控制等給出一定的方法，研究表明采用此種方法，硬件投入少、電路簡(jiǎn)單，降低了設(shè)計(jì)成本，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

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