應用于光伏水泵系統(tǒng)中的無位置傳感器無刷直流電機的控制

摘要：介紹了應用于光伏水泵系統(tǒng)中的直流無刷電機及其控制方法，利用定子繞組反電勢信號，用Motorola公司的MC68HC908JK3ECP單片機實現(xiàn)了對直流無刷電機的控制。實驗證明，過零點識別電路簡單有效，三段式起動適用于光伏水泵系統(tǒng)。

關鍵詞：光伏水泵系統(tǒng)；直流無刷電機；反電勢；過零點識別電路；三段式起動

0    引言

    近年來，隨著電力電子器件及控制理論的迅速發(fā)展，永磁直流無刷電機以其高效性，良好的調速性，易于維護性而得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的永磁直流無刷電機往往采用位置傳感器來確定轉子的位置，這不僅增大了電機的安裝體積，增加了成本，而且降低了電機的可靠性。目前，無傳感器直流無刷電機一般采用三段式起動方式，起動轉矩在開始起動時比較小，并且有脈動，對于有起動轉矩要求的系統(tǒng)存在著局限性，而在中小型太陽能光伏水泵系統(tǒng)中，負載轉矩是隨著轉速的增加而增加的，不計摩擦力，在靜止時負載轉矩為零，所以，直流無刷電機可以應用于光伏水泵系統(tǒng)，并且整個系統(tǒng)是直流的，無須逆變，那么，在光伏水泵系統(tǒng)中應用直流無刷電機，對于提高系統(tǒng)效率,簡化系統(tǒng)裝置就具有重大的意義。

1    光伏水泵系統(tǒng)簡介

    光伏水泵系統(tǒng)由光伏陣列，控制器，電機，水泵4部分組成。光伏陣列由許多太陽電池串并聯(lián)構成，直接把太陽能轉化為直流電能。目前所用的太陽電池都為硅太陽電池，包括單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽電池。由于光伏陣列的輸出伏－安特性曲線具有強烈的非線性，而且和太陽輻照度、環(huán)境溫度、陰、晴、雨、霧等氣象條件有密切關系,所以，如果要使光伏水泵系統(tǒng)工作在比較理想的工況，就需要用控制器去調節(jié)、控制整個系統(tǒng)。電機是用來驅動水泵的，由于電機的功率因數(shù)及電壓等級在很大程度上受到太陽電池陣列的電壓等級和功率等級的制約，因此，對水泵揚程、流量的要求被反映到電機上，往往在兼顧陣列結構的條件下專門進行設計。對于要求流量小、揚程高的用戶，宜選用容積式水泵；對于需要流量較大，但揚程卻較低的用戶，一般宜采用自吸式水泵。

2    單片機M68HC908JK3ECP介紹

    這是Motorola公司的8位單片機家族中的成員之一，同樣具有高性能，低成本的優(yōu)點。它內嵌4k閃速存儲器FLASH，128字節(jié)RAM；具有10個通道的8位精度ADC模塊，15個I/O端口；時鐘模塊具有輸入捕捉，輸出比較及脈寬調制等功能，能滿足系統(tǒng)要求。

3    無傳感器直流無刷電機控制原理

    無刷電機的定子為三相對稱繞組，采用兩相通電方式時控制電路按照一定的順序向定子的兩相通入直流電流，產生定子磁勢F_a；轉子為永磁材料，產生磁勢F_f，通過兩者的相互作用，可以產生電磁轉矩T=F_aF_f|sinθ|，顯然，當θ=60°～120°時，平均電磁轉矩最大。故檢測轉子磁勢位置時，當定轉子磁勢夾角為60°時，三相繞組中的某兩相導通，轉過60°時，其中一相的功率管關斷，另一相中的功率管導通。這樣，保證定轉子磁勢夾角為60°～120°，達到轉矩最大的目的。由于每次轉過60°只關斷一個功率管，故每個功率管導通角度為120°，這種方式為120°導通方式。

    主電路采用三相全控橋，如圖1所示。圖2為三相6拍工作方式下典型的相電壓反電勢波形圖。由圖2我們可以清楚地看到，在該相懸空狀態(tài)（過零點前后30°區(qū)域）下，繞組感應反電勢按正弦規(guī)律變化，平頂部分為繞組通電激勵時逆變換相主電路電壓鉗位引起的。換相點發(fā)生在過零點后30°，使用反電勢法來實現(xiàn)電子換相，就是在過零點檢測電路檢測到過零點后30°進行換相。三相6拍工作方式下，導通次序為S₁，S₂－S₂，S₃－S₃，S₄－S₄，S₅－S₅，S₆－S₆，S₁－S₁，S₂。基于反電勢的電子換相方法有多種，如“1/2母線電壓比較法”、“端電壓比較法”等，但這些測量方法都存在抗干擾能力弱的問題，特別是在PWM調制情況下，測量時必須采取專門措施避開或抑制干擾，增加了控制電路的復雜性，并且可能產生換相滯后。采用“虛擬中點法”可以解決以上問題，并且在PWM調制情況下，其開關噪聲不會影響相繞組的過零測量，檢測電路也較簡單。

圖1    三相六拍主電路

圖2    典型的相電壓反電勢波形

    在靜止或低速狀態(tài)下反電勢值為0或很小，無法用反電勢法來判定轉子的位置，通常采用三段式起動方式來解決這個問題，即先按他控式同步電機的運行狀態(tài)從靜止開始加速，當達到一定的轉速時再切換到反電勢法控制狀態(tài)，包括轉子定位，步進起動和自由切換三個階段。轉子定位時首先導通兩個功率管，一般來說先導通S₆及S₁，一定時間后就完成轉子的初始定位。步進起動時從初始位置開始，按前面的導通次序依次導通各功率管，但導通時間按一定規(guī)律遞減，以達到提速的目的。步進起動結束后進行自由切換，保證換相的正確性，同時，PWM斬波使直流側電壓逐漸加到主電路上，使無刷電機的轉速按控制要求加速，相當于電機轉速的軟起動過程，這樣就避免了電機在起動初期會產生大電流，減少了對主電路的沖擊，延長了功率管的壽命。

4    系統(tǒng)實現(xiàn)

    系統(tǒng)硬件電路由主電路、驅動電路、過零點檢測電路、采樣電路、各種保護電路組成。過零點檢測電路檢測到過零信號，并把過零信號送到JK3單片機的捕捉口，JK3單片機接收到過零信號，由軟件計算出延遲時間，并在延遲時間到后發(fā)出換相脈沖信號，經驅動電路轉換為驅動信號去驅動各功率管，這樣就實現(xiàn)了單片機對直流無刷電機的控制。保護電路主要有過電壓充電保護，低水位保護。

    系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，包括初始化模塊，PWM中斷模塊，捕捉中斷模塊，采樣保護模塊。PWM中斷模塊實現(xiàn)了無刷電機的步進起動，自由切換運行。PWM中斷模塊的流程圖如圖3所示。

圖3    PWM中斷模塊 

    初始化模塊主要完成程序所用變量的初始化，PWM中斷初始化，捕捉中斷初始化，發(fā)初始定位脈沖；捕捉中斷完成反電勢過零點的捕捉及換相周期的確定；采樣保護模塊主要用來采集直流側電壓和電流，以及判定和處理故障。實驗數(shù)據(jù)證明，換相時刻的準確性和相位跟蹤的快速性對電機控制的性能影響極大，電子開關的準確換相點每次都在該相不激勵繞組的反電勢過零后30°的電角度位置，由于電機的運行是變速運行，換相周期是變化的，所以并不能準確確定延遲30°電角度的換相時間，只能根據(jù)前若干個換相周期的變化趨勢，對該次換相時刻進行合理有效的濾波和預估，有數(shù)字濾波和鎖相跟蹤兩種方式。

    圖4為系統(tǒng)正常運行時測得的線電壓波形，毛刺部分是由PWM斬波和換相引起的。從圖中可以看出，電壓波形比較接近于理想情況，說明換相點準確，從而驗證了對整個系統(tǒng)控制思想是正確的。

圖4    相電壓波形

5    結語

    上述思想已經在500W太陽能光伏水泵系統(tǒng)中得到驗證。系統(tǒng)起動時起動電流正常，步進起動結束后加速平穩(wěn)。