阮兆忠

摘 要：BLDCM（無刷直流電動機(jī)）是由電動機(jī)主體與驅(qū)動器組成的電機(jī)設(shè)備，是家用電器和現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中重要的運(yùn)動部件，包括有位置傳感器的無刷直流電動機(jī)和無位置傳感器的無刷直流電動機(jī)兩種結(jié)構(gòu)形式。無位置傳感器避免了有位置傳感器的無刷直流電機(jī)控制精度低、抗干擾能力差、制造工藝復(fù)雜等缺點，因此無位置傳感器在BLDCM控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是目前電力科研的重要方向。該文重點介紹了無位置傳感器技術(shù)在BLDCM控制系統(tǒng)中的應(yīng)用以及其轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)中最成熟的反電動勢法。

關(guān)鍵詞：無位置傳感器 反電動勢 無刷直流電動機(jī)

中圖分類號：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（a）-0105-02

目前有位置傳感器的無刷直流電動機(jī)在電力電子工程中得到廣泛的應(yīng)用，但是由于位置傳感器的存在，也使得系統(tǒng)復(fù)雜程度提高、成本增加、可靠性降低，對電機(jī)的制造工藝也帶來了不利的影響。而無位置傳感器則免去了上述弊病，故而無位置傳感器運(yùn)行被認(rèn)為是無刷直流電動機(jī)的一種最有推廣價值的工作方式。此外，在無位置傳感器無刷直流電動機(jī)的控制電路中位置檢測器采用反電動勢法，為進(jìn)行相位補(bǔ)償提供條件，同時可以通過轉(zhuǎn)子位置變化精確計算電機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速。

1 無刷直流電動機(jī)

1.1 BLDCM控制系統(tǒng)工作原理

所謂BLDCM控制系統(tǒng)即為無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)，其主要涉及對于無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行速度的控制，對于電機(jī)中的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行波動抑制以及其內(nèi)傳感器的有效分布與操縱。這種控制系統(tǒng)主要被一些型號較小，重量較輕的電氣設(shè)備所采用，并在這些設(shè)備中的啟動環(huán)節(jié)起到了重要的作用。其與普通的直流電機(jī)在構(gòu)造上有所不同，其首要區(qū)別在于無刷直流電動機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子具有永磁性，而普通的直流電動機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子并非永磁體。另外，無刷直流電動機(jī)內(nèi)部還有與驅(qū)動相關(guān)的集成電路，檢測系統(tǒng)檢測轉(zhuǎn)子的相關(guān)信息轉(zhuǎn)換成電子信號，將這種信號傳遞給電路部分，對電路進(jìn)行調(diào)控。其相關(guān)的控制系統(tǒng)包括逆變器部分、轉(zhuǎn)子檢測部分與實施控制部分。首先，無刷直流電動機(jī)利用電流進(jìn)行轉(zhuǎn)動，其內(nèi)轉(zhuǎn)子所處的位置通過上述的集成電路檢測出來，隨后這種信號被傳遞到控制系統(tǒng)，對電路進(jìn)行控制。這便是無刷直流電動機(jī)的工作原理。

1.2 無位置傳感器控制過程

常見的運(yùn)用無位置傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)備例如電冰箱，微波爐等小型用電設(shè)備，在這些家用小型電器當(dāng)中，在無刷直流電動機(jī)的內(nèi)部安裝霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體，這種霍爾元件可以有效地檢測出無刷直流電動機(jī)中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，而除了霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體之外，還安裝有由光學(xué)玻璃制成的光電碼盤，這種部件上具有許多通路，其分為光可透過部分及光不可透過部分，其被設(shè)置在無刷直流電動機(jī)內(nèi)部可以有效地檢測出轉(zhuǎn)子的位置所在，這是一種檢測方法。另外，可以通過對無刷直流電動機(jī)的電流進(jìn)行檢測，并對其所占用的電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，通過推算分析可以得到無刷直流電動機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與位置所在。正是因為這種檢測方式并不是通過對無刷直流電動機(jī)進(jìn)行拆卸從而得到轉(zhuǎn)子的位置，而是通過其他量與數(shù)據(jù)的推算而得出的，所以其被稱之為無位置傳感器控制系統(tǒng)，這亦是其工作的原理。

1.3 反電動勢法檢測轉(zhuǎn)子位置

反電動勢法檢測轉(zhuǎn)子位置具有眾多的優(yōu)點，其中，方法簡單便是最顯著的一個優(yōu)點。但是，當(dāng)無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速較低時，會造成電機(jī)的電動勢較小，這時采用反電動勢法檢測轉(zhuǎn)子位置就會由于電動勢過低造成檢測難度加大，轉(zhuǎn)子位置不易確定的問題出現(xiàn)。傳統(tǒng)的反電動勢法過零檢測存在缺陷，但是，通過對其進(jìn)行部分簡化，采用實時檢測確定無刷直流電動機(jī)內(nèi)部通過的電流大小以及其在電路中所分擔(dān)的電壓大小，這時，再采用線路中的定值電阻自身的參數(shù)進(jìn)行公式計算，并通過反電動勢法的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算分析，最終完成對無刷直流電動機(jī)中電子檢測裝置的控制。這種方法不但繼承了傳統(tǒng)方法的簡單方便，并且在數(shù)據(jù)處理的時候縮短了許多步驟，并提高了最終結(jié)果的精確度，并且，傳統(tǒng)方法中當(dāng)電動勢較低時測定結(jié)果會有較大的偏差，而這種簡化后的反電動勢檢測方法極大地拓展了電動勢的有效范圍，提升了檢測的精確度。

2 BLDCM系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

BLDCM系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中的主要硬件設(shè)計便是其內(nèi)部的芯片組件及其他線路，其他線路中又包含與檢測相關(guān)的信號檢測線路，信號轉(zhuǎn)換線路與信號傳遞線路，信號處理線路，還包括保護(hù)線路，驅(qū)動線路等。整體控制系統(tǒng)首先根據(jù)給定的電機(jī)速度與內(nèi)部的保護(hù)電路信號傳遞給DSP部分，這部分組件再將信號傳遞給IR2136完成一次信號的傳遞。它又對BLDCM中的電流與轉(zhuǎn)子位置完成了檢測，這部分檢測的信號再次傳遞給DSP部分，由它傳遞給顯示器部分完成了最終的數(shù)據(jù)顯示。這便是BLDCM系統(tǒng)整體的硬件設(shè)計。其中，DSP組件部分的芯片內(nèi)部包含有6個單元組件，這六組PWM的主要功能是促進(jìn)無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)動。除此之外，電機(jī)中的脈沖電路可用來處理其他脈沖電流從而使DPS系統(tǒng)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的計算。DPS系統(tǒng)中的TMS部分包含12支內(nèi)部信號，由控制系統(tǒng)中的功率管進(jìn)行組件控制。在硬件系統(tǒng)當(dāng)中，DPS部分最主要的功效便是對于無刷直流電動機(jī)中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測定，并依據(jù)轉(zhuǎn)碼器與計算部件對無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測定。

2.2 軟件設(shè)計

根據(jù)無刷直流電動機(jī)中的硬件構(gòu)造進(jìn)行軟件設(shè)計，并將設(shè)計好的軟件植入到硬件組織的芯片中，根據(jù)軟件中的數(shù)學(xué)模型與計算方式對所測的信號與數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出所需要的數(shù)據(jù)結(jié)果。最終，硬件部分與軟件部分得以結(jié)合，共同為無刷直流電動機(jī)的位置確定與轉(zhuǎn)速計算進(jìn)行處理。軟件部分需要通過相應(yīng)的安裝程序才能將其有效地植入到芯片中，并保證其功效與運(yùn)行正常。在大多數(shù)的無刷直流電動機(jī)的軟件開發(fā)中，大多采用的是CCS3.3作為無刷直流電動機(jī)中DPS組件設(shè)計的基本軟件。所謂CCS，即為DPS的集成開發(fā)系統(tǒng)。通過可視化的窗口進(jìn)行多種計算機(jī)語言的綜合應(yīng)用，進(jìn)行程序的編寫。開發(fā)的過程中選擇XDS510硬件仿真器與該軟件進(jìn)行連接。所謂硬件仿真器就是對于無刷直流電動機(jī)當(dāng)中的硬件部分進(jìn)行模擬，創(chuàng)造出硬件的環(huán)境，然后依據(jù)在該模擬硬件環(huán)境上進(jìn)行程序編寫與軟件設(shè)計，通過CCS3.3編寫出相關(guān)的數(shù)據(jù)流程，該流程可以有效地檢測無刷直流電動機(jī)當(dāng)中的有效信息，其包括信息的測定，信息的轉(zhuǎn)碼，信息的傳輸，信息的接收以及信息的處理應(yīng)用。只有在軟件的編寫當(dāng)中形成有效的信息傳遞流程圖，才能保證所設(shè)計的軟件適合于硬件的要求。

2.3 上電實驗

在對無刷直流電動機(jī)進(jìn)行完硬件部分的設(shè)計以及軟件部分的設(shè)計之后，對于這兩者能否進(jìn)行有效的結(jié)合并對信息進(jìn)行計算處理進(jìn)行確定，就需要進(jìn)行上電實驗。所謂上電實驗，就是對硬件與軟件設(shè)計完畢的無刷直流電動機(jī)進(jìn)行定額通電，觀察其測定的電流額度是否與給予的電流水平與電壓水平相同，其基礎(chǔ)是在控制系統(tǒng)的控制下保證電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)到運(yùn)行狀態(tài)的平穩(wěn)過渡與穩(wěn)定運(yùn)行，并具備有效的控制調(diào)節(jié)過程。

3 結(jié)語

在無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行當(dāng)中，對于轉(zhuǎn)子的檢測是十分重要的，其既可以顯示出電機(jī)的運(yùn)行速度，又能夠顯示出電機(jī)的運(yùn)行位置。而該文通過對無刷直流電動機(jī)進(jìn)行分析，就其BLDCM控制系統(tǒng)工作原理，無位置傳感器控制過程以及反電動勢法檢測轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行分析，并對其BLDCM系統(tǒng)設(shè)計中硬件設(shè)計，軟件設(shè)計以及上電實驗進(jìn)行闡述，從而使讀者對無刷直流電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)有一個清晰明了的認(rèn)識。

參考文獻(xiàn)

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