張 千，包 健，宋騰飛，劉慧娟

(1.廈門華聯(lián)電子有限公司，廈門 361006；2.北京交通大學(xué)，北京 100044)

基于Cortex的單相永磁無刷電機(jī)控制系統(tǒng)

張 千1，包 健1，宋騰飛2，劉慧娟2

(1.廈門華聯(lián)電子有限公司，廈門 361006；2.北京交通大學(xué)，北京 100044)

介紹了一種新型的單相永磁無刷電機(jī)，并設(shè)計(jì)了基于Cortex-M0+為核心的電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件，采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)了單相永磁無刷電機(jī)的可靠起動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有較高的效率，控制方便，運(yùn)行可靠。

單相；永磁；無刷電機(jī)；控制系統(tǒng)；Cortex

0 引 言

單相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，無需變頻器供電，具有價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種家用電器、空調(diào)系統(tǒng)以及功率較小的電氣設(shè)備中。但是單相異步電機(jī)效率不高，采用電容運(yùn)行的單相異步電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小。單相永磁電機(jī)不僅具有異步電機(jī)的特性，而且具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、效率高、功率密度大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在家用電器以及中央空調(diào)系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文介紹一種新型的單相永磁無刷電機(jī)及其控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，開發(fā)出了一套單相永磁無刷電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了樣機(jī)試制、調(diào)試及實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明其具有優(yōu)越的控制性能。

1 單相永磁無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

單相永磁無刷電機(jī)與三相永磁無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似，單相永磁無刷電機(jī)定子上只有一套繞組，定子結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

三相永磁無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子在任意位置均可以可靠起動(dòng)，單相電機(jī)由于只有一套定子繞組，若采用與三相電機(jī)一樣的定子沖片結(jié)構(gòu)，定轉(zhuǎn)子之間的氣隙均勻，轉(zhuǎn)子可能停在圖2(a)的位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于該位置時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為零，電機(jī)無法起動(dòng)。因此需要借助定子特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者增加輔助定位磁極讓轉(zhuǎn)子停在偏離死點(diǎn)位置，避開不能起動(dòng)的死點(diǎn)，保證電機(jī)可靠起動(dòng)。圖2(b)為定子沖片采用不對(duì)稱設(shè)計(jì)，定子齒與轉(zhuǎn)子磁極間氣隙不均勻，電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，由于磁阻力矩作用，轉(zhuǎn)子磁極中心與定子磁場(chǎng)中心偏移一定角度θ。當(dāng)電機(jī)通電運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子受到電磁轉(zhuǎn)矩作用旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁極旋轉(zhuǎn)至下一個(gè)定子齒中心位置，由于受磁阻力矩力作用，轉(zhuǎn)子保持旋轉(zhuǎn)方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子位于偏移角度θ(π/4+θ)時(shí)，定子繞組電壓換相，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。

圖1 單相永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

(a)均勻氣隙沖片(b)不均勻氣隙沖片

圖2 定子沖片

1.2 控制原理

單相永磁無刷電機(jī)的控制器設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，成本低廉。

以一臺(tái)單相永磁無刷電機(jī)為被控對(duì)象，由超低功耗、處理數(shù)據(jù)較強(qiáng)的基于Cortex-M0+內(nèi)核的32位微處理器S6E1A12C0及其外圍電路組成控制系統(tǒng)的核心。通過霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和電流傳感器檢測(cè)到電流信號(hào)，采用PI控制算法，將輸出的PWM占空比作為控制變量，調(diào)節(jié)逆變電路中的IGBT開通關(guān)斷比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，從而使電機(jī)獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)的控制原理框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

控制系統(tǒng)由電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)構(gòu)成，微處理器根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速指令和霍爾傳感器檢測(cè)到的速度反饋量相比較，經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器ASR產(chǎn)生電流參考值，也就是電機(jī)的給定電壓值。速度調(diào)節(jié)器輸出的電流參考值與電流采樣電路檢測(cè)到的電流值比較，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器ACR，計(jì)算出PWM占空比大小，并輸出至驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)可以通過調(diào)整開關(guān)功率器件導(dǎo)通相序來實(shí)現(xiàn)。霍爾傳感器輸出的位置信號(hào)還用于控制電壓換相。

2 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的原理圖如圖4所示，該系統(tǒng)由單相逆變主電路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路、保護(hù)電路組成。

圖4 硬件電路框圖

功率主電路由4個(gè)IGBT組成單相逆變?nèi)珮?，如圖5所示。電阻R1，R2作為電流傳感器，放置在下橋臂與地之間，實(shí)現(xiàn)電流反饋。

圖5 功率電路

驅(qū)動(dòng)電路采用IGBT柵極驅(qū)動(dòng)芯片IR2304S，該芯片具有完善的保護(hù)功能，能夠避免上下橋臂直通，損壞IGBT。單個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示，上橋臂驅(qū)動(dòng)采用自舉供電方式，E1，C11為自舉電容，下橋臂導(dǎo)通時(shí)，15V電源通過R4，D10給E1，C11充電，電容兩端電壓很快上升至15 V，下橋臂關(guān)斷后，電容E1，C11兩端電壓保持不變,端電壓被上拉至U+15V，二極管D10反向截止，此時(shí)可為上橋臂驅(qū)動(dòng)供電，IG1柵極驅(qū)動(dòng)PWM幅值被抬升，上橋臂IGBT能有效開通、關(guān)斷。

圖6 驅(qū)動(dòng)電路

電流檢測(cè)通過檢測(cè)采樣電阻R1，R2上電壓來實(shí)現(xiàn)。電阻值的選取考慮過電流時(shí)電阻上的壓降，當(dāng)運(yùn)行時(shí)電機(jī)電流超過保護(hù)值時(shí)，可以適時(shí)的進(jìn)行保護(hù)，避免器件損壞。由于電機(jī)電流為正弦，為避免在電流為負(fù)時(shí)AD端口不能采樣，電阻壓降Ui經(jīng)放大并抬升后送入微處理器的AD端口。電流檢測(cè)放大電路如圖7所示，R1為采樣電阻，為了提高AD采樣精度，選R24=R22//R23，R22=R23，R20=R21，放大器輸出電壓UUDET值：

每個(gè)PWM周期在下橋臂開通時(shí)對(duì)電流采樣一次，電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成以2.5 V為基準(zhǔn)的電壓信號(hào)，放大倍數(shù)為R24/R21。PWM的載波頻率為16 kHz，電流采樣間隔為62.5 μs。

(a) 電流檢測(cè)放大電路

(b) 波形

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，C語言編寫，主要包括主程序、初始化程序、起動(dòng)子程序、采樣子程序、中斷服務(wù)子程序、故障處理子程序。實(shí)現(xiàn)了單相直流無刷電機(jī)的位置檢測(cè)、換相，電流與轉(zhuǎn)速的閉環(huán)調(diào)節(jié)以及故障處理等功能。

圖8 軟件流程圖

4 試驗(yàn)分析

以一臺(tái)60 W單相永磁無刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)對(duì)象，搭建了單相永磁無刷電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器配件信息表

電機(jī)繞組由逆變電路輸出電壓供電，此處電機(jī)額定電壓為逆變電路直流母線電壓。在電機(jī)工作在額定功率時(shí)，由于PWM的占空比小于100%，電機(jī)相電壓有效值小于220 V。

4.1 電機(jī)起動(dòng)

電機(jī)的起動(dòng)過程分為開環(huán)和閉環(huán)兩個(gè)階段。開環(huán)階段，PWM信號(hào)的占空比從0開始不斷增加至電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)PI開始運(yùn)算，但不使用PI返回值參與ASR運(yùn)算，PWM頻率達(dá)到5 Hz之后保持占空比不變，直到PI算法計(jì)算出的PWM的有效值與實(shí)際PWM信號(hào)的有效值一致，PI調(diào)節(jié)介入，切換為閉環(huán)控制。

如果在切換為閉環(huán)控制時(shí)，加入PI調(diào)節(jié)器，由于PI算法與前一時(shí)刻過程變量相關(guān)，即第一次運(yùn)行PI算法的返回值為一個(gè)極小的值，使電機(jī)的相電流瞬間變小，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)在切換瞬間產(chǎn)生抖動(dòng)。

圖9為空載和負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.4 N·m情況下電機(jī)的相電流波形。電機(jī)在空載和負(fù)載時(shí)起動(dòng)電流均小于1 A?？蛰d起動(dòng)由開環(huán)切換至閉環(huán)約3.25 s，如圖9(b)A點(diǎn)，帶400 mN·m負(fù)載起動(dòng)由開環(huán)切換至閉環(huán)時(shí)常約1.75 s，如圖9(d)A點(diǎn)，開環(huán)切閉環(huán)過程的電流波形平滑過渡。起動(dòng)加速過程平穩(wěn)，無抖動(dòng)、失步現(xiàn)象，電機(jī)由起動(dòng)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)間小于20 s。圖中CH4表示霍爾信號(hào)，CH2表示電流波形。

(a)空載(0～0.5s)(b)空載(3～3.5s)(c)負(fù)載(0～0.5s)(d)負(fù)載(1.5～2.0s)

圖9 起動(dòng)電流(截圖)

4.2 負(fù)載運(yùn)行

電機(jī)負(fù)載為0.4 N·m時(shí)，電機(jī)的相電壓、相電流，轉(zhuǎn)矩如圖10(a)、圖10(b)所示，在霍爾信號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)，控制端電壓換相，電機(jī)相電流為正弦，受電機(jī)齒槽結(jié)構(gòu)的影響，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。

圖10(c)、圖10(d)為轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由0.15 N·m階躍上升至0.51 N·m，然后減小至0.15 N·m時(shí)電機(jī)的相電流波形，電流有效值由292 mA上升至713 mA后降為291 mA，電機(jī)轉(zhuǎn)速快速穩(wěn)定在設(shè)定值。圖中CH1為電壓波形。

(a)電壓電流(b)轉(zhuǎn)矩(c)負(fù)責(zé)增加(d)負(fù)載減小

圖10 負(fù)載波形

電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時(shí)系統(tǒng)(包含控制板)的轉(zhuǎn)矩效率曲線如圖11所示，在額定負(fù)載(0.44 N·m)時(shí)，電機(jī)軸功率為60 W，功率計(jì)測(cè)得控制板輸入功率值為72.2 W，系統(tǒng)效率達(dá)到83%，較單相感應(yīng)電機(jī)效率有明顯提高。在0.2～0.65 N·m負(fù)載范圍內(nèi)，系統(tǒng)的效率高于78.5%。由此可見，該電機(jī)系統(tǒng)在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)具有較高的效率。

圖11 效率曲線

5 結(jié) 語

本文介紹了一種只有一套繞組的新型單相永磁無刷電機(jī)，以一臺(tái)60 W單相永磁無刷電機(jī)作為被控對(duì)象，設(shè)計(jì)開發(fā)了其控制系統(tǒng)的軟硬件，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)和調(diào)速控制，具有良好的穩(wěn)態(tài)以及動(dòng)態(tài)性能，整個(gè)系統(tǒng)效率高，電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，在替代單相感應(yīng)電機(jī)方面具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

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Control System of Single-Phase Permanent Magnet Brushless Motor Based on Cortex

ZHANGQian1,BAOJian1,SONGTeng-fei2,LIUHui-juan2

(1.Xiamen Hualian Electronics Co.,Ltd., Xiamen 361006,China;2.Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

A new novel single-phase brushless permanent magnet motor was presented, and the hardware and software of the motor control system was designed based on cortex-M0+. The speed and current double closed-loop control strategy was adopted in the whole system in order to realize the reliable start-up and stable operation. The experimental results show that the control system has high efficiency, convenient control, and reliable operation.

single-phase; permanent magnet; brushless motor;control system;Cortex

2016-08-14

TM351

A

1004-7018(2017)03-0073-04

張千(1986-),男,碩士,工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制。