何 琪，毛攀峰

(浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學院 船舶工程學院，浙江 舟山 316021)

在當前水泵電機控制領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的直流有刷電機由于其工藝要求高、維修保養(yǎng)不便、利用效率低等因素已逐步被淘汰。替代其是一種BLDCM(Brushless Direct Current Motor)即無刷直流電機，該BLDCM 控制電機轉(zhuǎn)速高、效率大已在水泵制造業(yè)中得到證實，今后將會成為此領(lǐng)域中的主流電機。

BLDCM 主要包括兩部分，即直流永磁電機部分和電樞繞組驅(qū)動控制部分，BLDCM 的技術(shù)雖可大幅提高電機的效率，但對控制驅(qū)動部分也涵有一定的技術(shù)要求，若控制驅(qū)動與電機匹配不但不能有效的提高電機效率，且還會降低電機壽命。因此，結(jié)合目前DSPIC［1－2］技術(shù)將有效地完成對BLDCM 的控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

BLDCM 技術(shù)實際是一種直流永磁無刷電機與PWM 控制相結(jié)合的技術(shù)，通過霍爾傳感器對磁路的判斷，確定永磁轉(zhuǎn)子當前位置，在確定相應的PWM 控制脈沖驅(qū)動定子電樞繞組，形成轉(zhuǎn)矩，使電機快速轉(zhuǎn)動［3］。從某種控制程度上講，此種控制也屬閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1 所示。

1.1 系統(tǒng)總體組成及功能

BLDCM 包括直流永磁電機和電樞繞組驅(qū)動控制，直流永磁電機定子繞組驅(qū)動電源為直流，繞組分為A、B、C 三相、6 極，三相繞組互為180°，每相繞組根據(jù)纏繞方向設(shè)定一個磁極對;轉(zhuǎn)子為四磁極的永久磁鐵，互成90°夾角。這樣可使改變定子繞組磁極屬性產(chǎn)生磁轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子快速轉(zhuǎn)動，因此轉(zhuǎn)速與定子繞組磁極改變的速度與方向有關(guān)［4］。

電樞繞組驅(qū)動部分為一塊PCB 控制板，主要是輸出PWM 脈沖波，采集轉(zhuǎn)子位置，選擇輸出程序，并輸出對應的PWM 脈沖，驅(qū)動定子繞組有序改變磁極屬性，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。另外還包括電源模塊、保護環(huán)節(jié)等。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 BLDCM 磁路氣隙磁場的計算模型建立

直流無刷電機的定子、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式可有多種選擇，為了減小定子繞組間的互感影響，提高磁性利用率，增加定、轉(zhuǎn)子磁耦合程度，本控制系統(tǒng)采用定子6極轉(zhuǎn)子4 極的形式［5］，如圖2 所示。

圖2 電機結(jié)構(gòu)剖面圖

圖3 永磁體和氣隙結(jié)構(gòu)磁化模型示意圖

根據(jù)圖3 所示，電機轉(zhuǎn)子為表面式永磁形式，δ 表示氣隙長度，kδ為氣隙長度系數(shù)，電機的氣隙均勻則可得出其有效的氣隙長度δ'為

設(shè)定電機鐵芯磁導率為無窮大，以永磁體和空氣氣隙為求解區(qū)域，得

式中，T0為剩余磁化強度，包括Tr徑向分量和Tθ切向分量兩部分，即

若設(shè)定標量磁位為λ，這樣氣隙與永磁體中分別滿足

數(shù)學思想方法都是以一定的數(shù)學知識為基礎(chǔ),反過來又促進數(shù)學知識的深化以及向能力的轉(zhuǎn)化．《普通高中數(shù)學課程標準》明確提出數(shù)學教學必須鼓勵學生積極參與數(shù)學活動,不僅是行為上的參與,更要有思維上的參與．筆者認為,在高中數(shù)學的核心概念教學中,要引導學生體會和領(lǐng)悟數(shù)學思想方法中蘊含的數(shù)學的本質(zhì)內(nèi)涵和的重要規(guī)律．要通過各種方式激活思維,深化思維,不斷地提高數(shù)學思維能力．這樣才能逐步提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力,不斷提高學生的思維品質(zhì)和數(shù)學素養(yǎng)．

由此建立Tr徑向分量模型式(6)和Tθ切向分量模型式(7)為

1.3 系統(tǒng)控制原理分析

BLDCM 控制系統(tǒng)主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子的實際位置，PIC 單片機采集位置信號輸出不同的PWM 脈沖波形，觸發(fā)橋式逆變電路使定子繞組獲得不同的磁極屬性［6－8］。PIC 單片機通過對PWM 波形的控制來實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制，如圖4 所示。

圖4 控制原理圖

PWM 脈沖和霍爾信號有直接關(guān)系，通過分析轉(zhuǎn)子位置可得出關(guān)系，如表1 所示。

表1 電機順時針旋轉(zhuǎn)時霍爾位置與PWM 關(guān)系表

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)以PIC18F4431 芯片作為主控制器，可通過RS－485 總線與上位機之間進行實時通信，通過輸出PWM 信號來控制三相電橋，從而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子的位置和電機的轉(zhuǎn)速則由霍爾元件檢測得到，同時利用在三相電橋低端處設(shè)置的測流電阻來測量定子的電流。主控制器在電機運行過程中不斷地采集轉(zhuǎn)子的實時位置，根據(jù)位置的變化情況來發(fā)出控制命令，實現(xiàn)了對電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。

2.1 硬件組成部分及其功能

本系統(tǒng)的控制器核心采用PIC18F4431 芯片，PIC18F4431 是由Microchp Technology 公司新推出的一款專門針對電機運動控制、采用納瓦技術(shù)具有高性能nVM 和AlD 功能的增強型閃存單片機。系統(tǒng)采用該8位單片機的優(yōu)勢在于:采樣速度高達2×105次每秒的10 位A/D 轉(zhuǎn)換模塊、4 對具有互補輸出的14 位功率控制PWM 模塊、灌電流峰值可達25 mA、集成8×8 單周期硬件乘法器和WDT 看門狗。

通過分析比較各種電子開關(guān)器件的性能特點后，考慮到場效應管具有理想的高頻特性且價格低廉，因此設(shè)計了由場效應管構(gòu)成的三相電橋，來作為無刷直流電機的三相逆變驅(qū)動電路。該電路不僅具有較好的隔離效果，且動態(tài)特性也較為理想。

系統(tǒng)采用霍爾傳感器來檢測位置，由于霍爾傳感器開漏輸出的特性所以需接上拉電阻，在系統(tǒng)中為霍爾傳感器設(shè)置了低通RC 濾波器處理，目的是防止無刷電機中的強磁場和無刷電機控制器PWM 載波頻率的干擾。PIC18F4431 的3 個輸入引腳連接3 路的位置信號，可檢測到每個輸出信號的上升沿和下降沿。當檢測到的電平發(fā)生變化時，即會使程序進入中斷服務，從而在中斷服務中計算定子的轉(zhuǎn)速及實現(xiàn)對定子的換相。

2.2 硬件抗干擾設(shè)計

由于系統(tǒng)中存在著高頻變壓器、電動機、開關(guān)器件等，會帶來強烈的電磁干擾源，所以硬件電路的抗干擾措施是必要的，本系統(tǒng)主要考慮以下幾個方面:(1)抑制干擾源。每個IC 電源和地兩端并聯(lián)一個100 nF 的電容;高頻電容的連線盡量靠近電源端并盡量粗短;PCB 上布線避免90°折線。(2)切斷干擾傳播途徑。主電源與低壓輔助電源相互隔離、不共地;給各路輸出的電源加濾波電路;注意晶振布線。(3)提高敏感器件的抗干擾性能。布線時應盡量減少回路面積，芯片的IO 口不得懸空。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件部分采用全數(shù)字雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能使無刷直流電機獲得較好的動態(tài)性能。整個控制結(jié)構(gòu)引入了電流環(huán)和速度環(huán)兩部分。當速度的反饋量與給定的速度參考量形成一個偏差，該偏差通過速度的調(diào)節(jié)會隨之產(chǎn)生一個電流參考量，該電流參考量與電流反饋量之間形成的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后，作為PWM占空比變化的控制量從而實現(xiàn)了對無刷直流電機的速度調(diào)節(jié)。

3.1 PWM 換相控制

無刷直流電機的換相是通過內(nèi)部設(shè)置的霍爾傳感器實現(xiàn)的。在電機運轉(zhuǎn)的整個過程中，每當電機的定子轉(zhuǎn)過60°時，霍爾傳感器便會立即將檢測到的換相信號送至主控制器，使主控制器產(chǎn)生一個硬件中斷。主控制器會在中斷服務程序中輸出相應的PWM 信號，從而實現(xiàn)準確的換相。程序流程如圖5 所示。

圖5 PWM 換相控制子程序

3.2 電流環(huán)控制

控制系統(tǒng)中一般有外環(huán)速度環(huán)和內(nèi)環(huán)電流環(huán)，前者是依速度反饋定穩(wěn)速度，后者是據(jù)電流變化定穩(wěn)力矩。在本系統(tǒng)中，電流環(huán)的作用主要是調(diào)節(jié)電流，以確保電機的安全穩(wěn)定運行。該電流環(huán)采用變速積分的PI 調(diào)節(jié)器，該子程序流程如圖6 所示。

圖6 電流環(huán)子程序流程圖

3.3 速度環(huán)控制

為了抑制速度波動的程度，同時增加系統(tǒng)抗負載干擾的能力，系統(tǒng)采用速度環(huán)的控制方式。如給定轉(zhuǎn)速與實測轉(zhuǎn)速之間通過一個限幅PI 調(diào)節(jié)器，從而得出一個參考電流值。該子程序流程如圖7 所示。

圖7 速度環(huán)子程序流程圖

4 模擬運行調(diào)試

通過在Matlab 環(huán)境中設(shè)定電機水泵運行的各種參數(shù)進行仿真，以80 W、65 W、55 W、45 W 的直流無刷電機水泵進行運行分析，得出下列特性曲線和啟動速度響應。

圖8 輸出特性

圖9 啟動速度響應圖

該直流無刷永磁電機控制系統(tǒng)，啟動響應速度快，電機的外輸出特性性能優(yōu)異，并能充分提高電機效率，同時啟動轉(zhuǎn)矩較大、可靠性高、噪聲低。

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