“反電動(dòng)勢法”永磁直流無(wú)刷電機控制系統設計

O 引言
永磁直流無(wú)刷電機(BLDCM)是一種典型的機電一體化電機，除了有普通直流電機調試性能好、調速范圍寬和調速方式簡(jiǎn)單的特點(diǎn)外，還有功率因素高、轉動(dòng)慣量小、運行效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別是由于它不存在機械換相器與電刷，大大的減少了換相火花，機械磨損和機械噪聲，使得它在中小功率范圍內得到了更加廣泛的應用，是電機的主要發(fā)展方向之一。
對于永磁直流無(wú)刷電機的控制方式，可以分為兩大類(lèi)：有位置傳感器控制方式和無(wú)位置傳感器控制方式。典型的有位置傳感器控制方式是使用霍爾傳感器控制方式。無(wú)位置傳感器控制方式是目前比較廣泛使用且較為新穎的一類(lèi)控制方式，包含有：反電動(dòng)勢控制方法、磁鏈計算法、狀態(tài)觀(guān)測器法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )(ANN)控制法等。反電動(dòng)勢控制方法中對驅動(dòng)橋和電機在外電路過(guò)流時(shí)的保護極為重要，對軟件發(fā)生錯誤動(dòng)作時(shí)負載的保護也提出了較高的要求，本文采用反電動(dòng)勢控制方法，以直流無(wú)刷稀土電機為研究對象，設計了兩個(gè)電流保護模塊和一個(gè)數字邏輯保護電路，提高了系統工作時(shí)的安全性，具有較大的研究意義。

1 控制系統總體設計
本系統采用PWM反饋控制方式的典型閉環(huán)調速系統其中還創(chuàng )新性的加入了邏輯保護電路和兩路電流保護電路，控制系統總體設計框圖如圖1所示。由轉速參考值n0與實(shí)際轉速的反饋值n相比較，得到的偏差送到轉速控制器，經(jīng)過(guò)相應的計算后輸出控制信號到PWM控制器，PWM控制器則產(chǎn)生三相橋試逆變器主開(kāi)關(guān)的控制信號，然后由主開(kāi)關(guān)完成對永磁無(wú)刷直流電機定子電流的通斷，并產(chǎn)生平均意義上旋轉的定子電樞合成磁勢，由定子電樞合成磁勢帶動(dòng)永磁體轉子旋轉，實(shí)現了永磁無(wú)刷直流電機的自同步控制。
研究對象永磁直流無(wú)刷稀土電機將磁體粘貼到轉子鐵心表面，組成所謂的隱極式轉子結構。其定子三相對稱(chēng)繞組采用整距、集中繞組，無(wú)中線(xiàn)引出線(xiàn)，由電機學(xué)原理可知反電動(dòng)勢的波形為一梯形波，而且電機中A、B、C三相是對稱(chēng)的，它們的反電動(dòng)勢只在相位上依次落后120度。再考慮到定子每相繞組的反電動(dòng)勢正比于轉子角速度，有圖2所示關(guān)系。

由此得出反電動(dòng)勢法控制規律的重要結論為：通過(guò)測量反電動(dòng)勢獲取轉子位置信號，并不是測量反電動(dòng)勢大小，而是反電動(dòng)勢的過(guò)零點(diǎn)信號，當反電動(dòng)勢出現過(guò)零點(diǎn)后再延時(shí)30度電度角就是轉子電流下一次換相時(shí)刻。但反電動(dòng)勢無(wú)法直接測量得到，可通過(guò)測量電機端電壓來(lái)間接獲取電機反電動(dòng)勢。

2 系統硬件設計
該系統硬件電路設計重難點(diǎn)在于驅動(dòng)逆變電路，轉子位置檢測電路和電路保護模塊三大部分。驅動(dòng)逆變電路包含驅動(dòng)芯片和驅動(dòng)橋式電路兩個(gè)部分，驅動(dòng)芯片采用IR2130驅動(dòng)芯片，它是專(zhuān)用的三相橋式電路驅動(dòng)芯片，可以直接驅動(dòng)中小容量的MOSFET、IGBT、MCT等，而且只需一個(gè)供電電源，工作頻率從幾十赫茲到上百千赫茲，內部還設置有過(guò)流和欠壓保護使得在驅動(dòng)功率管時(shí)更加安全可靠。