雷艷華，何朝暉，吉 方，劉廣民

(中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，綿陽 621900)

小型復合分子泵用無刷直流電動機的控制器研制

雷艷華，何朝暉，吉 方，劉廣民

(中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，綿陽 621900)

研制了一種小型復合分子泵的高速無刷直流電動機，該電機控制采用了無位置傳感器方法。通過對分子泵負載曲線分析，設計了特定的硬件結(jié)構(gòu)，開發(fā)了針對性地控制算法，完成了對無刷直流電動機的速度控制，實現(xiàn)了小型復合分子泵的驅(qū)動，控制性能通過了可靠性測試得到驗證,進行了典型的分子泵性能試驗,預期的功能指標得以實現(xiàn)。

分子泵; 高速無刷直流電動機;無位置傳感器;控制算法;速度控制

0 引 言

研發(fā)的多口徑的小型復合分子泵，分子泵結(jié)構(gòu)設計三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。而作為分子泵核心單元部件，高速無刷直流電動機(BLDCM)實現(xiàn)了自主研制，相應的控制技術也進行了詳細研究，完成了項目要求的高轉(zhuǎn)速控制，且在項目實施進程中，成為了不可缺的關鍵要素。

如圖1所示，從電氣控制角度出發(fā)，分子泵結(jié)構(gòu)主要由機械運動組件、電機、控制器等幾大部分組成。其中，旋轉(zhuǎn)組件由動葉輪、牽引筒、永磁軸承、陶瓷球軸承以及轉(zhuǎn)子心軸組成，在電機帶動下進行高速旋轉(zhuǎn)，與靜葉片等組件共同作用下完成抽氣功能。

電機組件在控制器的驅(qū)動下實現(xiàn)72 000 r/min的高速運轉(zhuǎn)，作為分子泵的動力源提供旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。

而控制器則是輸出控制電壓，在電機的定子線圈中建立旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子作高速旋轉(zhuǎn)，完成速度控制，并且要將溫度、轉(zhuǎn)速等狀態(tài)信息發(fā)送至上位用戶。

本文對項目的電機控制作詳細介紹，并就相關實驗驗證結(jié)果進行了簡要分析，給出初步研究結(jié)論，并進行了功能檢驗。

1 控制器總體設計

控制器總體架構(gòu)如圖2所示，主要分為硬件和軟件兩大部分，硬件主要由MCU、驅(qū)動電路、位置檢測電路以及電流、溫度檢測電路等部分組成。

圖2 控制器架構(gòu)示意圖

軟件存儲在MCU的存儲內(nèi)，上電啟動，用戶通過使能開關決定是否進行電機的速度控制。

控制器定時向上位機發(fā)送當前的控制狀態(tài)，并更新用戶的在線速度指令進行給定速度調(diào)整。

控制器與電機之間通過三相動力電纜和溫度傳感器信號線纜連接。

無位置反饋傳感器模式是本控制器的核心控制方式，該模式硬件接線簡單提高了可靠性，并且避免了由于位置傳感器安裝誤差可能帶來的轉(zhuǎn)矩換相波動。

無位置傳感器與有位置傳感器的技術不同點就在于轉(zhuǎn)子的相位檢測。有位置傳感器通過安裝在定子上的傳感器元件檢測轉(zhuǎn)子的N，S磁極的相對位置來獲取準確的換相信號，那么無位置傳感器技術也必須獲取準確的換相信號，研究至今，較為成熟并且應用廣泛的就是反電勢過零檢測方式。該技術通過對繞組端電壓的測量，利用過零比較電路或數(shù)字處理算法獲得繞組反電勢過零點，此即是“端電壓法”。由于處理過程中的濾波環(huán)節(jié)，端電壓過零檢測會導致相位延遲，而且此相位的延遲時間差與電機轉(zhuǎn)速成比例增加，所以無位置傳感器模式控制下的濾波延遲時間實時補償是獲取最佳換向點的關鍵技術。通過不同PWM斬波方式分析，獲取了模擬中性點電壓的曲線變化，并且結(jié)合“端電壓法”的技術討論，最終為了能夠使電機運行于最佳換相角狀態(tài)，而采用了“基于模擬中性點電壓的相位實時補償”的技術，實現(xiàn)了電機運行時繞組的準確換相。

2 硬件設計

無刷直流電動機的無位置傳感器控制器的硬件結(jié)構(gòu)主要由主控、逆變電路、過電流保護和模擬中性點電壓檢測等組成。此控制器采用了無位置反饋傳感器的控制方式，實現(xiàn)了速度閉環(huán)控制，具備過流過壓等保護功能。該控制器的電路框圖如圖3所示。

圖3 控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖4為本控制器的主控電路。在通電起動時，首先采用合適且通用(適應不同負載)的起動策略使電機旋轉(zhuǎn)運動至外同步轉(zhuǎn)速，然后切換到檢測電壓過零相位驅(qū)動下的運行狀態(tài)，即無位置傳感器模式。在無位置傳感器模式下，三相繞組的端電壓陸續(xù)經(jīng)過濾波電路和過零比較電路，最后經(jīng)過隔離器件送入DSP內(nèi)核處理器dsPIC30F2010的數(shù)字輸入端口。輸入端口信號經(jīng)過控制程序以及相應算法處理，獲取觸發(fā)相位信號產(chǎn)出PWM控制脈沖，并且經(jīng)由IR2103S驅(qū)動電路最終控制MOS功率管的運行，完成電機線圈電流輸出，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場來控制電機轉(zhuǎn)子運行?？刂破魃系碾姍C轉(zhuǎn)速的調(diào)整，由內(nèi)部參數(shù)來實現(xiàn)，也可以由上位機給出信號，改變參數(shù)實現(xiàn)速度設定的調(diào)整。在dsPIC30F2010上，讀取轉(zhuǎn)速給定值，并根據(jù)這個轉(zhuǎn)速給定值調(diào)整線圈電壓，從而實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)速的調(diào)整。通過對電機的線圈電流及電壓的AD信號實時監(jiān)視，當電壓、電流超出設定閾值時，觸發(fā)控制器的保護電路，停止DSP內(nèi)核MCU的PWM控制脈沖信號輸出。

圖4 控制器主控電路

分析可知，三次諧波、同頻同相三角波以及其他高頻波形疊加組成了模擬中性點電壓波形，其中PWM控制和繞組換向續(xù)流激發(fā)了高頻成分。而恰恰是PWM調(diào)制信號的這種控制模式導致了模擬中性點電壓波形發(fā)生了畸變，進而在檢測模擬中性點電壓時，受到了影響，干擾了相位延遲補償?shù)倪^程。

模擬中性點電壓的簡化表達式：

可以看出，在式(1)中，PWM調(diào)制信號作為系數(shù)項影響了模擬中性點的電壓檢測，因此，在模擬中性點的電壓檢測過程中，需要增加技術手段去除公式里的PWM影響項。顯然該技術手段就是濾波技術，通過濾除PWM干擾，獲取準確的模擬中性點電壓信號，否則PWM調(diào)制信號會導致不正確的模擬中性點電壓檢測。但是增加濾波環(huán)節(jié)后，模擬中性點電壓的過零將發(fā)生相位延遲，因此需要進行實時的相位角度補償獲取準確的電壓過零點。硬件信號檢測電路如圖5所示。

圖5 基于模擬中性點的反電勢過零檢測電路

3 控制軟件設計

小型復合分子泵控制器軟件的主要功能采用輪詢式設計，其中硬件參數(shù)初始化、控制參數(shù)初始化以及控制主功能在主循環(huán)體內(nèi)進行。而作為實時性要求較高的換相、電流控制由定時器和外部中斷完成?？傮w結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 軟件總體結(jié)構(gòu)圖

上電開始，軟件加載，預置控制參數(shù)和硬件參數(shù)，確定與運行環(huán)境相關的參數(shù)，并且開放中斷。當完成參數(shù)預置后，程序進入循環(huán)體，開始掃描命令交互及狀態(tài)檢測過程。其中，當檢測到開機信號后，開始進入控制循環(huán)體；在此控制循環(huán)體內(nèi)，對控制步驟進行控制，內(nèi)部進行邏輯步驟，確定何時開始執(zhí)行預定位、外同步及內(nèi)同步控制過程。作為換相控制和電流控制，由中斷過程完成，該中斷類型包含外部中斷和定時器中斷兩種?？傮w流程圖如圖7所示。

圖7 控制總體流程圖

內(nèi)同步閉環(huán)控制是電機在運行狀態(tài)下的主要軟件循環(huán)體。因此該閉環(huán)控制對控制性能起著決定性的作用。

控制器的電機起動過程采用改進型的3段式，即預定位、外同步升壓升頻、內(nèi)同步。

外同步的控制是在預定位完成后進行的。如果預定位錯了，外同步起動通常也會失敗。

外同步功能是一種開環(huán)的工作模式，軟件按照電機換相循環(huán)規(guī)律，對功率開關管進行通斷控制。而其，通斷的開關頻率是與電機旋轉(zhuǎn)速度相關，速度的6倍就是軟件外同步環(huán)的循環(huán)頻率。當正確的開關信號形成后，電機的定子就完成了旋轉(zhuǎn)磁場的建立。在定子旋轉(zhuǎn)磁場的驅(qū)動下，轉(zhuǎn)子開始進行旋轉(zhuǎn)。軟件此時的工作是要關注轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步。當兩者的相位差控制在30°以內(nèi)時，外同步的工作就是成功的。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度達到預設的內(nèi)外同步切換閾值時，軟件外同步完成，將相應標志位給定，開始切換。

當外同步切換到內(nèi)同步后，速度控制就進入了閉環(huán)控制方式。軟件在此階段要完成速度的PID閉環(huán)控制，該循環(huán)周期要在調(diào)試過程中進行調(diào)節(jié)確定。

內(nèi)同步閉環(huán)控制是電機在運行狀態(tài)下的主要軟件循環(huán)體。因此該閉環(huán)控制對控制性能起著決定性的作用。

當外同步切換到內(nèi)同步后，速度控制就進入了閉環(huán)控制方式。軟件在此階段要完成速度的PID閉環(huán)控制，該循環(huán)周期要在調(diào)試過程中進行調(diào)節(jié)確定。

while(Motor is On)

{

speederror_now_cal=speederror_now;

dutycycle1=((speederror_now_cal*kp)>>6)

Integral=speederror_now+Integral

Integral_cal=Integral;

if(Integral_cal>=70000) Integral_cal=70000;

if(Integral_cal<=-300000) Integral_cal=-300000;

dutycycle2=((Integral_cal*ki)>>13);

PIDOutPut=dutycycle1+dutycycle2;

}

4 運行試驗

控制器經(jīng)過了幾次改進后，實物圖如圖8所示，獲得穩(wěn)定的運行效果。并且與分子泵集成后進行了可靠性試驗，得到了合格的可靠性指標。

圖8 控制器實物圖

圖9為控制器輸出頻率曲線，從圖9中可看出輸出頻率達到了設計要求，實現(xiàn)了1 200 Hz的指標要求，電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定達到了指標72 000 r/min。

圖9 控制器輸出頻率曲線

試驗過程中監(jiān)測了電機速度穩(wěn)定性，如圖10所示。在給定速度值72 000 r/min時的速度波動小于1 Hz，即60 r/min。

圖10 電機速度波動曲線

從電機速度曲線分析，該電機運行的速度平穩(wěn)性滿足了最初分子泵的應用需求±1 Hz波動要求。

5 結(jié) 語

本項目研制的面向小型復合分子泵的高速永磁電機控制器，實現(xiàn)了重儀項目的功能要求，甚至性能指標初步測試也已經(jīng)達到優(yōu)于最初的設計指標。通過本項目的高速電機控制器的研發(fā)，為熟練掌握高速永磁電機控制器的設計以及加工技術提供了寶貴的技術積累。

[1] 紀歷.高速永磁同步電機無傳感器控制[J].電機與控制學報,2011,15(9):24-30.

[2] 王鳳翔.高速電機的設計特點及相關技術研究[J].沈陽工業(yè)大學學報,2006,28(3):258-264.

[3] OURRION J P,GU J.一種新型永磁同步電機用無位置傳感器控制算法[J].電力電子,2006(4):19-23.

Research and Manufacturing of Controller for Mini Composite Molecular Pump Brushless DC Motor

LEIYan-hua,HEZhao-hui,JIFang,LIUGuang-min

(Institute of Mechanical Manufacturing Technology,China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

A high speed brushless DC motor that just for the mini composite molecular pump was developed, while the DC motor was under control with the position-sensorless method. The corresponding hardware and software were developed just for the load characteristic of molecular pump. Then the speed control loop was constructed, and driving the Mini Composite Molecular Pump to work. Besides the control performance is validated by the reliability test, and the function targets have been satisfied.

molecule vacuum pump; high speed BLDCM; position-sensorless; control algorithm; speed control

2016-07-12

TM33

A

1004-7018(2017)02-0059-03

雷艷華(1977-)，男，高級工程師，研究方向為機電一體化控制系統(tǒng)。