徐德信

（山東省聊城市東昌府區(qū)廣播電視中心，山東聊城252000）

無(wú)刷電機(jī)既具有交流電機(jī)控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、無(wú)機(jī)械換相以及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，如運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好，故應(yīng)用廣泛［1］，直流無(wú)刷電機(jī)的廣泛應(yīng)用得益于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展。雖然帶位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)需要從傳感器獲得轉(zhuǎn)子的位置，從而進(jìn)行電機(jī)的換相，但是位置傳感器增加了電機(jī)本體的成本以及裝配的難度。尤其在應(yīng)用條件比較惡劣時(shí)，外部環(huán)境對(duì)位置傳感器的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生干擾，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠性?；谝陨显?，反電動(dòng)勢(shì)的無(wú)刷電機(jī)控制受到了行業(yè)的重視［2-3］。

在無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)過(guò)程中，主要難點(diǎn)在于啟動(dòng)過(guò)程及換相檢測(cè)［4］。目前，在無(wú)傳感器控制中，啟動(dòng)的方法包括升頻升壓法、預(yù)定位法、三段式啟動(dòng)法、升頻和電流調(diào)節(jié)控制起動(dòng)法、電壓插值起動(dòng)法以及短時(shí)檢測(cè)脈沖轉(zhuǎn)子定位起動(dòng)法等。無(wú)位置傳感器運(yùn)行在沒(méi)有傳感器的條件下，利用電機(jī)的電壓和電流獲得轉(zhuǎn)子磁極的位置，其方法有反電動(dòng)過(guò)零檢測(cè)法、定子三次諧波檢測(cè)法、瞬時(shí)電壓方程法以及狀態(tài)觀察法等［5-7］。

本文采用預(yù)定位法起動(dòng)電機(jī)，運(yùn)用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零法確定轉(zhuǎn)子磁極的位置。

1 系統(tǒng)原理

1.1 預(yù)定位起動(dòng)法的原理

預(yù)定位起動(dòng)法的原理是：首先在起動(dòng)開始時(shí)，使無(wú)刷電機(jī)任意的兩相繞組通電，在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的初始位置，實(shí)現(xiàn)預(yù)定位的目的。然后根據(jù)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向及位置改變繞組的通電狀態(tài)，同時(shí)檢測(cè)非通電相的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，確定轉(zhuǎn)子位置，進(jìn)行電機(jī)控制的換相處理，并根據(jù)外部的檢測(cè)來(lái)改變占空比，調(diào)整所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩等從而達(dá)到目標(biāo)要求。

1.2 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法原理

具有梯形反電動(dòng)勢(shì)波形的三相無(wú)刷直流電機(jī)主電路原理如圖1所示。圖1中，La=Lb=Lc=L，ea=Ea，eb=Eb，ec=Ec，Ra=Rb=Rc=R。電機(jī)工作時(shí)，在每個(gè)電氣角度內(nèi)只有兩相導(dǎo)通通電，調(diào)速時(shí)各橋臂上管采用PWM調(diào)制，下橋恒通。電機(jī)三相端電壓平衡方程分別為

圖1 三相無(wú)刷直流電機(jī)主電路原理

Ua、Ub、Uc分別為各相輸出端對(duì) US負(fù)極的電壓，ea、eb、ec分別為各相的反電動(dòng)勢(shì)，UN為電機(jī)中性點(diǎn)的電壓，ia、ib、ic分別為各相的電流。在60°的電氣角度內(nèi)假設(shè)A、B兩相導(dǎo)通，這時(shí)A、B兩相的電流大小相等，方向相反，C相的電流為零。則式（1）、（2）相加則有

式（3）可簡(jiǎn)化為

由式（4）、（5）可得

同理可得

式（6）～（8）稱為反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)方程。

在實(shí)際的應(yīng)用中，通常將端電壓分壓后，經(jīng)濾波得到檢測(cè)信號(hào)。所謂的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)，就是指不通電那相的反電動(dòng)勢(shì)在另兩相導(dǎo)通期間發(fā)生了大小及正負(fù)的變化，正負(fù)變化的點(diǎn)稱為零點(diǎn)，這個(gè)過(guò)零點(diǎn)在這兩相導(dǎo)通其間的中間，即30°處。故在過(guò)零點(diǎn)后，電氣角度再過(guò)30°，控制程序應(yīng)使電機(jī)進(jìn)行換相，其原理如圖2所示。

圖2 電機(jī)三相端電壓時(shí)序

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用SH79F1611芯片及內(nèi)部RC時(shí)鐘，經(jīng)倍頻處理后，系統(tǒng)的主時(shí)鐘為27 MHz，系統(tǒng)24 V供電。為了系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)需要12～15 V和5 V電源，為處理器的外圍電路、驅(qū)動(dòng)電路以及電流檢測(cè)電路所用的芯片提供工作電源。

2.1 SH79F1611單片機(jī)介紹

SH79F1611是一種高速高效率的8051兼容單片機(jī)，較之傳統(tǒng)的8051芯片具有運(yùn)行更快捷、性能更優(yōu)越的特性。SH79F1611集成了兩路的放大器，12位集成數(shù)字比較功能的ADC以及6路帶死區(qū)時(shí)間控制的電機(jī)控制PWM模塊，非常適合直流無(wú)刷電機(jī)/永磁同步電機(jī)控制。

2.2 硬件的整體框圖

硬件整體電路如圖3所示。該電路包括：電源電路、反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、單片機(jī)系統(tǒng)外圍電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、MOS管控制電路及外部用戶輸入控制電路。電源電路為系統(tǒng)提供所需直流電源，反電動(dòng)過(guò)零點(diǎn)電路提供確定磁極位置電壓，電流主要保護(hù)電機(jī)與控制電路的安全可靠，單片機(jī)為控制策略實(shí)現(xiàn)提供硬件基礎(chǔ)，驅(qū)動(dòng)與MOS管主要為控制電機(jī)提供換相。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

2.3 電源電路

本設(shè)計(jì)選擇LM317及LM2576-5.0，分別輸出12 V及5 V，其電路如4所示。LM317輸出電壓為

在本設(shè)計(jì)中，R4=10 kΩ，R2=1 kΩ，則Vo約為13.5 V，符合系統(tǒng)所需的12～15 V要求。

LM317及LM2576-5.0的輸入端的電解電容C2、C3、C01是為了穩(wěn)定輸入電壓，而輸出端的電解電容C6、C7則是為了穩(wěn)定輸出電原壓。輸入與輸出的電容C4、C5、C02、C8則是為了濾除高頻干擾。續(xù)流二極管D3在LM2576內(nèi)部的開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)處于反向偏置狀態(tài)，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，和電感、負(fù)載組成續(xù)流回路釋放電感中儲(chǔ)存的能量。

圖4 電源電路

2.4 主電路及驅(qū)動(dòng)電路

主電路如圖5所示。該電路采用6個(gè)功率管組成的三相橋式結(jié)構(gòu)，電阻R1MP為電流檢測(cè)電阻，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)MGND連接到電流的放大電路。單片機(jī)發(fā)過(guò)的控制信號(hào)要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片放大后才能驅(qū)動(dòng)MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷，IR2103是一款美國(guó)IR公司的MOS管驅(qū)動(dòng)芯片，每一個(gè)IR2103可驅(qū)動(dòng)一對(duì)MOS，即一個(gè)半橋。

圖5 主電路及驅(qū)動(dòng)電路

2.5 電流檢測(cè)電路

電流電路如圖6所示。該電路主要是對(duì)采樣電阻采得的電流信號(hào)進(jìn)行放大，將電流信號(hào)放大后接入單片機(jī)，在電流過(guò)大時(shí)，可通過(guò)PID算法進(jìn)行運(yùn)算后，控制電機(jī)繞組上的電壓，從而控制電流。AD_I1檢測(cè)母線電流，這個(gè)電流控制控制器的輸入功率。AD_I2可以粗略地檢測(cè)電機(jī)的相電流，控制電機(jī)的相電流不超過(guò)設(shè)定值，保證電機(jī)既能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩又不損壞電機(jī)與控制器。

圖6 電流檢測(cè)電路

2.6 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路

反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路如圖7所示，UP、VP、WP分別接到三相繞組上，WA、WB、WC分別接到SH79F1611的AD輸入端口上，通過(guò)AD端口檢測(cè)出電壓。

圖7 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件的整體設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)上電完成后，軟件首先完成系統(tǒng)的初始化處理，包括以下幾個(gè)方面。

（1）電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制口的初始化。

（2）電機(jī)啟動(dòng)停止端口的初始化。

（3）AD電流采樣及用戶電機(jī)速度/轉(zhuǎn)矩AD采樣端口初始化。

（4）電機(jī)控制端口PWM模塊的初始化，設(shè)定PWM的周期為62 μs。

（5）電機(jī)端電壓檢測(cè)AD端口初始化。

初始化完成后，程序根據(jù)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、電機(jī)啟動(dòng)停止、用戶電機(jī)速度/轉(zhuǎn)矩AD采樣端口的數(shù)據(jù)，決定電機(jī)的啟動(dòng)還是停止。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后，根據(jù)電機(jī)端電壓檢測(cè)AD的數(shù)據(jù)，并根據(jù)所采集的數(shù)值經(jīng)式（6）～（8）計(jì)算，進(jìn)行換相處理。

3.2 無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)的起動(dòng)控制

根據(jù)檢測(cè)到用戶需要啟動(dòng)電機(jī)并且電機(jī)沒(méi)有運(yùn)轉(zhuǎn)，則進(jìn)行電機(jī)啟動(dòng)程序的運(yùn)行，程序控制電機(jī)的三相繞組的兩相通電，如A、B兩相進(jìn)行通電，由于電磁力的作用，電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)到一初始位置，此時(shí)根據(jù)讀取的三相電壓的值，確定轉(zhuǎn)的磁極位置，對(duì)相應(yīng)的電機(jī)繞組進(jìn)行導(dǎo)通與關(guān)閉。

3.3 反電動(dòng)勢(shì)無(wú)刷直流電機(jī)的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)換相

預(yù)定位起動(dòng)電機(jī)后，可以進(jìn)行反電動(dòng)機(jī)的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)。其過(guò)程如下所述。

（1）通過(guò)ADC采集并濾波得到三相信號(hào)。

（2）根據(jù)電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)及反動(dòng)勢(shì)方程，查看是否發(fā)生了過(guò)零點(diǎn)事件。

（3）當(dāng)檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)后，保存定時(shí)器1的值，并復(fù)位定時(shí)器1。將保存的定時(shí)器1的值除以2再減去濾波器的延時(shí)、處理延時(shí)及相位超前，所得結(jié)果即為換相時(shí)間。

（4）將換相時(shí)間賦于定時(shí)器2，如定時(shí)器2中斷時(shí)，就則進(jìn)行的換相處理。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所采用電機(jī)為24 V、3 200轉(zhuǎn)。運(yùn)用示波器測(cè)得相線電壓波形為梯形波，如圖8所示。由圖8可知，該方案可行。

5 小結(jié)

該系統(tǒng)通過(guò)利用SH79F1611豐富的片內(nèi)資源控制，電機(jī)無(wú)傳感器的啟動(dòng)、過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)以及算法的實(shí)現(xiàn)都是由軟件來(lái)完成的。從而使電路的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)準(zhǔn)確性好。該系統(tǒng)在新能源客車散熱水泵、風(fēng)扇等方面得到了應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明可靠好。

圖8 電壓波形