基于dsPIC30F3010實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)傳感器控制
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1 引言
無(wú)刷直流電機(jī)既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),又具有直流電機(jī)運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗、調(diào)速性能好的特性,因此在各行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。無(wú)刷直流電機(jī)是一種特殊的永磁同步電機(jī),傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)大多數(shù)采用位置傳感器確定轉(zhuǎn)子位置,并據(jù)此控制驅(qū)動(dòng)電路換相。由于位置傳感器的存在,增加了電機(jī)體積和成本,降低了電機(jī)可靠性,限制了某些場(chǎng)合的應(yīng)用。
本文給出一種基于反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法控制無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法,該方法所需硬件簡(jiǎn)單。軟件功能強(qiáng)大。
2 無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)
無(wú)刷直流電機(jī)由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路以及電子開(kāi)關(guān)電路3部分組成。其示意圖如圖1所示。
電子開(kāi)關(guān)電路主要作用是控制電機(jī)本體定子各相繞組的通電順序和時(shí)間,主要由功率管、驅(qū)動(dòng)電路以及轉(zhuǎn)子位置信號(hào)處理模塊構(gòu)成。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路主要作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置,為換相提供依據(jù)。電機(jī)本體由定子線圈繞組與永磁轉(zhuǎn)子構(gòu)成。電機(jī)本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3 無(wú)刷直流電機(jī)工作原理
有刷直流電機(jī)通過(guò)電刷實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組的換相,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),且定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向垂直,從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。無(wú)刷直流電機(jī)工作過(guò)程與此類(lèi)似,不同之處在于通過(guò)電子開(kāi)關(guān)電路控制定子換相,使定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),使得永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由此可見(jiàn),無(wú)刷直流電機(jī)中,轉(zhuǎn)子位置非常重要,否則不能準(zhǔn)確控制換相時(shí)間,導(dǎo)致電機(jī)不能輸出最大轉(zhuǎn)矩,甚至不能運(yùn)轉(zhuǎn)。
4 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法
要實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的控制,關(guān)鍵問(wèn)題是如何獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。由于永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng),定子繞組切割該磁場(chǎng),感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì),該電動(dòng)勢(shì)就是反電動(dòng)勢(shì)。反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法是一種常用的方法,由無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)可知,反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)與轉(zhuǎn)子位置有對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)對(duì)定子繞組上反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)得到過(guò)零點(diǎn),就可以得到轉(zhuǎn)子位置信息,由此控制換相。
以三相Y型連接,兩兩導(dǎo)通為例說(shuō)明反電動(dòng)勢(shì)與換相的關(guān)系以及反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方法。電機(jī)主回路電路如圖3所示。
轉(zhuǎn)子以ω角速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),各相產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形如圖4所示,Ea、Eb、Ec分別為a、b、c相的反電動(dòng)勢(shì)。
當(dāng)某一相的反電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)后,再延遲30°電角度就是換相時(shí)刻。因此只要能檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn),根據(jù)當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)速,延時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30°的時(shí)間,控制圖3中Q1至Q6的通斷,就可實(shí)現(xiàn)換相。
實(shí)際中,電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)不能直接檢測(cè),只能間接獲取。由電機(jī)三相端電壓平衡方程可以推導(dǎo)出在反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)附近有:
其中,Ua、Ub、Uc為a、b、c相的端電壓。
通過(guò)檢測(cè)相電壓,再根據(jù)式(1)、(2)、(3)很容易得到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn),再延時(shí)30°電角度換相,就可以使勵(lì)磁與轉(zhuǎn)子同步。
5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
采用Microchip公司的DSPIC30F3010微控制器實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的控制。dsPIC30F3010具有6路10位A/D、專(zhuān)門(mén)針對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)的6路PWM模塊、5路16位定時(shí)器、24 KB Flash程序存儲(chǔ)器以及1 KBRAM。其硬件電路圖如圖5所示。
用AN2、AN3、AN4實(shí)現(xiàn)電機(jī)端電壓檢測(cè),得到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。采用PWM模塊控制6個(gè)MOS-FET通斷,就可實(shí)現(xiàn)換相。采用不同的占空比就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)調(diào)速。
通過(guò)對(duì)阻值為0.1Ω的電阻端電壓的檢測(cè)獲取過(guò)流、過(guò)載信息,根據(jù)電機(jī)的實(shí)際情況調(diào)整放大倍數(shù)和比較器的參考電壓。
因電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)通常比5 V高,故必須通過(guò)電阻分壓后才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,分壓電阻根據(jù)電機(jī)母線電壓不同取不同值,只要能保證分壓后的電壓在微控制器的允許范圍內(nèi)即可。
3相逆變橋由6個(gè)MOSFET構(gòu)成,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用IR2407,它可承受600 V電壓,電流達(dá)49 A。PWM驅(qū)動(dòng)器由3片IR2110構(gòu)成。
由于dsPIC30F3010為28引腳器件,I/O口有限,不能設(shè)計(jì)人機(jī)接口,因此,需采用RS-232接口與PC機(jī)連接,通過(guò)超級(jí)終端軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)。
6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件由初始化模塊、啟動(dòng)模塊及無(wú)傳感器運(yùn)行模塊構(gòu)成。因電機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速很低,反電動(dòng)勢(shì)很小,故反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法失效。只能用開(kāi)環(huán)控制電機(jī),當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后切換到閉環(huán)控制,采用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置,所以啟動(dòng)模塊是必須的。軟件主程序流程如圖6所示。
在反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)模塊中,對(duì)經(jīng)電阻分壓后的端電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,再根據(jù)式(1)、(2)、(3)計(jì)算各相反電動(dòng)勢(shì),如果某相的反電動(dòng)勢(shì)為零,則該時(shí)刻對(duì)應(yīng)著該相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。如果三個(gè)值都不為零,則說(shuō)明換相時(shí)刻還沒(méi)有到來(lái),不需要換相。這就要求對(duì)端電壓分壓的電阻必須對(duì)稱(chēng),以減小誤差,且A/D轉(zhuǎn)換頻率應(yīng)該與電機(jī)轉(zhuǎn)速相匹配。
7 結(jié)束語(yǔ)
實(shí)驗(yàn)證明,該無(wú)刷直流電機(jī)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性好。低速啟動(dòng)時(shí),電機(jī)性能不如有傳感器無(wú)刷直流電機(jī),但啟動(dòng)后性能與有傳感器相當(dāng)。無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)可在惡劣的工作環(huán)境下工作,受干擾比較小,可靠性高,成本低,具有較廣闊的市場(chǎng)前景。