吳耀春,韓向可

(安陽工學(xué)院，安陽 455000)

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基于MCP8025的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

吳耀春,韓向可

(安陽工學(xué)院，安陽 455000)

介紹了一種基于MCP8025的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)采用升頻升壓的方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)起動后，利用MCP8025內(nèi)部的檢測模塊較容易地實(shí)現(xiàn)了反電動勢過零檢測。從控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計方案及控制策略兩個方面詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制方案的可行性。

無刷直流電機(jī)；無位置傳感器；控制系統(tǒng)；MCP8025

0 引 言

近年來隨著電子技術(shù)和新型永磁材料的發(fā)展，用電子換相代替電刷機(jī)械換向的永磁無刷直流電動機(jī)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、啟動性能好、調(diào)速快而無機(jī)械換相等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電動車輛驅(qū)動、醫(yī)療機(jī)械等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的有位置傳感器無刷直流電動機(jī)由于傳感器難以安裝，限制了電機(jī)的小型化，增加了電機(jī)的成本，影響電機(jī)的壽命，導(dǎo)致電機(jī)穩(wěn)定性、可靠性下降。因此，實(shí)現(xiàn)無位置傳感器的無刷直流電機(jī)的控制具有重要意義。目前應(yīng)用較為普遍的是采用反電動勢法的基于DSP專用集成電路的控制方案。

本文介紹一種基于MCP8025專用驅(qū)動芯片和AVR單片機(jī)為核心的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制方便。

1 反電動勢過零檢測原理分析

電機(jī)繞組的中性點(diǎn)一般未引出，因此各相繞組反電動勢大小的直接測定比較困難，而比較方便的是三相端子對地電壓的測量。本文使用的無刷直流電機(jī)采用Y形三相橋式聯(lián)接，120°兩兩導(dǎo)通的方式，具有梯形反電動勢，其等效電路原理如圖1所示。

圖1 三相全橋式BLCDM主電路原理圖

在允許的范圍內(nèi)，忽略齒槽效應(yīng)、渦流和磁滯損耗、永磁體的阻尼作用、磁路飽和，繞組均勻分布于光滑定子內(nèi)表面，轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組。則定子三相繞組的端電壓方程可表示：

式中：un為中點(diǎn)電壓。

由于采用的兩兩導(dǎo)通方式，所以無刷直流電機(jī)在每一個瞬間只有兩相繞組導(dǎo)通，不導(dǎo)通相繞組電流為零，另外導(dǎo)通兩相繞組的電流大小相等、方向相反，所以三相繞組的電流總和為零。三相反電勢互差120°電角度，所以三相繞組反電勢之和等于零。由式(1)可得：

電機(jī)運(yùn)行中，在任意時刻(換相瞬間除外)，假設(shè)A相懸空，則有ia=0，則A相的端電壓方程：

可以看出，在A相懸空期間，其反電動Ea為端電壓ua與中點(diǎn)電壓un的差，將A相的端電壓與中性點(diǎn)電壓信號作差值比較就可以得到A相反電動勢過零點(diǎn)信息，同樣B、C兩相的反電動勢過零點(diǎn)也可以同樣得到。基于這個原理，本文設(shè)計了基于MCP8025的無位置傳感器的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

系統(tǒng)的硬件電路由MCP8025驅(qū)動模塊、逆變橋模塊、電流檢測模塊、ATmega128控制模塊組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)的工作過程：主控模塊ATmega128收到速度調(diào)節(jié)信號和由MCP8025發(fā)送的電機(jī)反電動勢位置判斷信號后，將相應(yīng)的PWM信號送給MCP8025驅(qū)動模塊，由其進(jìn)行控制逆變橋電路模塊中的3組MOSFET的上、下臂的導(dǎo)通方式而驅(qū)動電機(jī)，同時控制模塊通過計算電機(jī)的運(yùn)行速度、檢測相電流來形成閉環(huán)控制，進(jìn)而調(diào)整PWM信號，最終實(shí)現(xiàn)控制結(jié)果。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 基于MCP8025的反電動勢過零點(diǎn)檢測

MCP8025內(nèi)部集成的反電動勢檢測模塊包括一個反電動勢采樣器、相端電壓選擇器和一個中點(diǎn)模擬器?？刂颇K通過DE2半雙工通信接口配置寄存器SET_CFG_0(為00010000)打開內(nèi)部中點(diǎn)模擬器，這時反電動勢采樣器就不斷的采集A,B,C三相的端電壓，并按照公式(2)計算電機(jī)的中點(diǎn)電壓 。如果想判斷某一相的端電壓是否過零，我們只需要通過相端電壓的選擇按鈕MUX1、MUX2將相應(yīng)的相選定(00：A相，01：B相，10：C相)，反電動勢采樣器就會把該相端電壓采集并與un比較，如果相等ZC_OUT就有電平輸出。因此，只需要監(jiān)測MCP8025驅(qū)動模塊的ZC_OUT引腳的電平變化，再通過相端電壓選擇器的按鈕MUX1、MUX2的控制，就可以檢測到電機(jī)各相反電動勢過零點(diǎn)。這種方案充分利用芯片MCP8025內(nèi)部含有的反電動勢檢測功能模塊，簡化了無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路和控制策略。

2.2 換相方法

主控制模塊根據(jù)引腳ZC_OUT輸出的位置信號，通過MCP8025對逆變器的Q1～Q6進(jìn)行控制，使各相繞組按照一定的規(guī)律通電形成旋轉(zhuǎn)磁場，帶動轉(zhuǎn)子磁鋼進(jìn)行轉(zhuǎn)動。電機(jī)的各相產(chǎn)生的理想反電動勢波形如圖3所示。

圖3 反電動勢波形圖

為了保證最大的電樞電流來獲得最大的平均轉(zhuǎn)矩，各相反電動過零點(diǎn)延遲30°電角度即為換相點(diǎn)。本系統(tǒng)采用下臂Q2，Q4，Q6直通，上臂Q1，Q3，Q5控制的方式，MOSFET導(dǎo)通順序如表1所示。

表1 MOSFET導(dǎo)通順序表

2.3 電流檢測

3 控制策略

3.1 啟動

無位置傳感器無刷直流電機(jī)的反電動勢大小與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。所以，電機(jī)靜止時電動勢為零，電機(jī)無法自啟動。本文采用升頻升壓的同步起動方法，由控制器產(chǎn)生的PWM波形經(jīng)過MCP8025驅(qū)動芯片控制逆變器，使逆變器的換相頻率慢慢增大，而且給無刷直流電機(jī)的定子電壓開始較小，逐步升高，從而使電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐步增大，等電機(jī)定子上的電壓足夠大時，即電機(jī)轉(zhuǎn)子已經(jīng)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速，能使MCP8025的反電動檢測模塊正常工作，此時就可以將電機(jī)切換到反電動勢檢測控制的正常閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 反電動勢檢測控制

在本系統(tǒng)中，某相的過零點(diǎn)就是ZC_OUT引腳輸出電平的變化，上升沿和下降沿對應(yīng)BLCD各相反電動勢的過零時刻，這樣每次有反電動勢過零點(diǎn)時，即產(chǎn)生中斷。無刷直流電機(jī)每隔為60°電角度反電動勢過零點(diǎn)一次，而繞組的換相時刻在過零點(diǎn)后延30°的電角度。因此繞組的換向時間點(diǎn)為每次進(jìn)入中斷后，再順延上次中斷時間間隔的1/2。具體控制流程如圖4所示。

圖4 反電動勢檢測換相流程圖

在電機(jī)完成起動后，當(dāng)ZC_OUT引腳的第1個邊沿脈沖進(jìn)入INT0時，打開定時器T0進(jìn)行計時，并退出中斷。當(dāng)ZC_OUT引腳的第2個邊沿脈沖進(jìn)入INT0時，讀取T0的值t，再使T0重新計時，并用FFH-t/2裝載T1，T1開始計時，退出T0中斷。當(dāng)T1產(chǎn)生中斷時，即為換相時刻，再根據(jù)MUX1、MUX2當(dāng)前狀態(tài)組合值，查找換相表進(jìn)行換相。重復(fù)上述步驟，使無位置傳感器無刷直流電機(jī)正常運(yùn)行。

4 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中選用電機(jī)的額定電壓24 V，輸出功率125 W，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，相數(shù)3相。無位置傳感器無刷直流電機(jī)的三相端電壓波形，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)控制的無位置傳感器無刷直流電機(jī)能夠正常順利起動，換相正確，運(yùn)行穩(wěn)定。

圖5 端電壓波形(截圖)

5 結(jié) 語

本文給出了基于MCP8025的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件與硬件設(shè)計方案和控制策略，可以看出本設(shè)計方案讓無位置傳感器無刷直流電機(jī)的反電動勢過零點(diǎn)的判斷更容易實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)證明，采用該控制方案電機(jī)啟動平穩(wěn)，運(yùn)行狀態(tài)良好，具有實(shí)用價值。

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Control System of Sensorless Brushless DC Motor Based on MCP8025

WUYao-chun,HANXiang-ke

(Anyang Institute of Technology,Anyang 455000,China)

A control system for sensorless brushless DC motor (BLCDM) based on MCP8025 was presented.The system was developed with increasing frequency and increasing voltage synchronous starting method, and using the detection function of MCP8025 to make easier the realization of bemf zero crossingpoint detection.The hardware structure and software design of sensorless BLCDM control system was described in details.The result of experiment verified the feasibility of the control strategy.

brushless DC motor； sensorless； control system； MCP8025

2015-09-07

TM33

A

1004-7018(2016)09-0083-03