直流無(wú)刷電機及其控制方法在光伏水泵系統中的應用

摘要：介紹了應用于光伏水泵系統中的直流無(wú)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(shí)現了對直流無(wú)刷電機的控制。實(shí)驗證明，過(guò)零點(diǎn)識別電路簡(jiǎn)單有效，三段式起動(dòng)適用于光伏水泵系統。

關(guān)鍵詞：光伏水泵系統；直流無(wú)刷電機；反電勢；過(guò)零點(diǎn)識別電路；三段式起動(dòng)

0 引言

近年來(lái)，隨著(zhù)電力電子器件及控制理論的迅速發(fā)展，永磁直流無(wú)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。傳統的永磁直流無(wú)刷電機往往采用位置傳感器來(lái)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(wú)傳感器直流無(wú)刷電機一般采用三段式起動(dòng)方式，起動(dòng)轉矩在開(kāi)始起動(dòng)時(shí)比較小，并且有脈動(dòng)，對于有起動(dòng)轉矩要求的系統存在著(zhù)局限性，而在中小型太陽(yáng)能光伏水泵系統中，負載轉矩是隨著(zhù)轉速的增加而增加的，不計摩擦力，在靜止時(shí)負載轉矩為零，所以，直流無(wú)刷電機可以應用于光伏水泵系統，并且整個(gè)系統是直流的，無(wú)須逆變，那么，在光伏水泵系統中應用直流無(wú)刷電機，對于提高系統效率,簡(jiǎn)化系統裝置就具有重大的意義。

1 光伏水泵系統簡(jiǎn)介

光伏水泵系統由光伏陣列，控制器，電機，水泵4部分組成。光伏陣列由許多太陽(yáng)電池串并聯(lián)構成，直接把太陽(yáng)能轉化為直流電能。目前所用的太陽(yáng)電池都為硅太陽(yáng)電池，包括單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽(yáng)電池。由于光伏陣列的輸出伏－安特性曲線(xiàn)具有強烈的非線(xiàn)性，而且和太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、陰、晴、雨、霧等氣象條件有密切關(guān)系,所以，如果要使光伏水泵系統工作在比較理想的工況，就需要用控制器去調節、控制整個(gè)系統。電機是用來(lái)驅動(dòng)水泵的，由于電機的功率因數及電壓等級在很大程度上受到太陽(yáng)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(zhuān)門(mén)進(jìn)行設計。對于要求流量小、揚程高的用戶(hù)，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(hù)，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(diǎn)。它內嵌4k閃速存儲器FLASH，128字節RAM；具有10個(gè)通道的8位精度ADC模塊，15個(gè)I/O端口；時(shí)鐘模塊具有輸入捕捉，輸出比較及脈寬調制等功能，能滿(mǎn)足系統要求。

3 無(wú)傳感器直流無(wú)刷電機控制原理

無(wú)刷電機的定子為三相對稱(chēng)繞組，采用兩相通電方式時(shí)控制電路按照一定的順序向定子的兩相通入直流電流，產(chǎn)生定子磁勢F_a；轉子為永磁材料，產(chǎn)生磁勢F_f，通過(guò)兩者的相互作用，可以產(chǎn)生電磁轉矩T=F_aF_f|sinθ|，顯然，當θ=60°～120°時(shí)，平均電磁轉矩最大。故檢測轉子磁勢位置時(shí)，當定轉子磁勢夾角為60°時(shí)，三相繞組中的某兩相導通，轉過(guò)60°時(shí)，其中一相的功率管關(guān)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(guò)60°只關(guān)斷一個(gè)功率管，故每個(gè)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(guò)零點(diǎn)前后30°區域）下，繞組感應反電勢按正弦規律變化，平頂部分為繞組通電激勵時(shí)逆變換相主電路電壓鉗位引起的。換相點(diǎn)發(fā)生在過(guò)零點(diǎn)后30°，使用反電勢法來(lái)實(shí)現電子換相，就是在過(guò)零點(diǎn)檢測電路檢測到過(guò)零點(diǎn)后30°進(jìn)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?；诜措妱莸碾娮訐Q相方法有多種，如“1/2母線(xiàn)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(wèn)題，特別是在PWM調制情況下，測量時(shí)必須采取專(zhuān)門(mén)措施避開(kāi)或抑制干擾，增加了控制電路的復雜性，并且可能產(chǎn)生換相滯后。采用“虛擬中點(diǎn)法”可以解決以上問(wèn)題，并且在PWM調制情況下，其開(kāi)關(guān)噪聲不會(huì )影響相繞組的過(guò)零測量，檢測電路也較簡(jiǎn)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(wú)法用反電勢法來(lái)判定轉子的位置，通常采用三段式起動(dòng)方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，即先按他控式同步電機的運行狀態(tài)從靜止開(kāi)始加速，當達到一定的轉速時(shí)再切換到反電勢法控制狀態(tài)，包括轉子定位，步進(jìn)起動(dòng)和自由切換三個(gè)階段。轉子定位時(shí)首先導通兩個(gè)功率管，一般來(lái)說(shuō)先導通S₆及S₁，一定時(shí)間后就完成轉子的初始定位。步進(jìn)起動(dòng)時(shí)從初始位置開(kāi)始，按前面的導通次序依次導通各功率管，但導通時(shí)間按一定規律遞減，以達到提速的目的。步進(jìn)起動(dòng)結束后進(jìn)行自由切換，保證換相的正確性，同時(shí)，PWM斬波使直流側電壓逐漸加到主電路上，使無(wú)刷電機的轉速按控制要求加速，相當于電機轉速的軟起動(dòng)過(guò)程，這樣就避免了電機在起動(dòng)初期會(huì )產(chǎn)生大電流，減少了對主電路的沖擊，延長(cháng)了功率管的壽命。

4 系統實(shí)現

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

系統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(shí)現了無(wú)刷電機的步進(jìn)起動(dòng)，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