用dsPIC30F3010實(shí)現無(wú)刷直流電機的無(wú)傳感器控制

1 引言

無(wú)刷直流電機既具有交流電機結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機運行效率高、無(wú)勵磁損耗、調速性能好的特性，因此在各行業(yè)中的應用日益廣泛。無(wú)刷直流電機是一種特殊的永磁同步電機，傳統的無(wú)刷直流電機大多數采用位置傳感器確定轉子位置，并據此控制驅動(dòng)電路換相。由于位置傳感器的存在，增加了電機體積和成本，降低了電機可靠性，限制了某些場(chǎng)合的應用。

本文給出一種基于反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)檢測法控制無(wú)刷直流電機的實(shí)現方法，該方法所需硬件簡(jiǎn)單。軟件功能強大。

2 無(wú)刷直流電機的結構

無(wú)刷直流電機由電機本體、轉子位置檢測電路以及電子開(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本體定子各相繞組的通電順序和時(shí)間，主要由功率管、驅動(dòng)電路以及轉子位置信號處理模塊構成。轉子位置檢測電路主要作用是實(shí)時(shí)檢測轉子位置，為換相提供依據。電機本體由定子線(xiàn)圈繞組與永磁轉子構成。電機本體結構如圖2所示。

3 無(wú)刷直流電機工作原理

有刷直流電機通過(guò)電刷實(shí)現轉子繞組的換相，產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)，且定子磁場(chǎng)與轉子磁場(chǎng)方向垂直，從而使轉子旋轉。無(wú)刷直流電機工作過(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)生旋轉磁場(chǎng)，使得永磁轉子旋轉。由此可見(jiàn)，無(wú)刷直流電機中，轉子位置非常重要，否則不能準確控制換相時(shí)間，導致電機不能輸出最大轉矩，甚至不能運轉。

4 反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)檢測法

要實(shí)現無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機的控制，關(guān)鍵問(wèn)題是如何獲得轉子的位置信息。由于永磁轉子旋轉產(chǎn)生旋轉的磁場(chǎng)，定子繞組切割該磁場(chǎng)，感應出電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢就是反電動(dòng)勢。反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)檢測法是一種常用的方法，由無(wú)刷直流電機結構可知，反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)與轉子位置有對應關(guān)系，通過(guò)對定子繞組上反電動(dòng)勢的檢測得到過(guò)零點(diǎn)，就可以得到轉子位置信息，由此控制換相。

以三相Y型連接，兩兩導通為例說(shuō)明反電動(dòng)勢與換相的關(guān)系以及反電動(dòng)勢檢測方法。電機主回路電路如圖3所示。

轉子以ω角速度運轉時(shí)，各相產(chǎn)生的反電動(dòng)勢波形如圖4所示，Ea、Eb、Ec分別為a、b、c相的反電動(dòng)勢。

當某一相的反電動(dòng)勢出現過(guò)零點(diǎn)后，再延遲30°電角度就是換相時(shí)刻。因此只要能檢測到反電動(dòng)勢的過(guò)零點(diǎn)，根據當時(shí)的轉速，延時(shí)轉子轉過(guò)30°的時(shí)間，控制圖3中Q1至Q6的通斷，就可實(shí)現換相。

實(shí)際中，電機反電動(dòng)勢不能直接檢測，只能間接獲取。由電機三相端電壓平衡方程可以推導出在反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)附近有：

其中，Ua、Ub、Uc為a、b、c相的端電壓。

通過(guò)檢測相電壓，再根據式(1)、(2)、(3)很容易得到反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)，再延時(shí)30°電角度換相，就可以使勵磁與轉子同步。

5 系統硬件設計

采用Microchip公司的dsPIC30F3010微控制器實(shí)現無(wú)刷直流電機的控制。dsPIC30F3010具有6路10位A／D、專(zhuān)門(mén)針對電機設計的6路PWM模塊、5路16位定時(shí)器、24 KB Flash程序存儲器以及1 KBRAM。其硬件電路圖如圖5所示。

　　　　　　　　　　　圖5 硬件電路圖

用AN2、AN3、AN4實(shí)現電機端電壓檢測，得到反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)。采用PWM模塊控制6個(gè)MOS-FET通斷，就可實(shí)現換相。采用不同的占空比就可實(shí)現對電機調速。

通過(guò)對阻值為0.1Ω的電阻端電壓的檢測獲取過(guò)流、過(guò)載信息，根據電機的實(shí)際情況調整放大倍數和比較器的參考電壓。

因電機反電動(dòng)勢通常比5 V高，故必須通過(guò)電阻分壓后才能進(jìn)行A／D轉換，分壓電阻根據電機母線(xiàn)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即可。

3相逆變橋由6個(gè)MOSFET構成，本系統設計采用IR2407，它可承受600 V電壓，電流達49 A。PWM驅動(dòng)器由3片IR2110構成。

由于dsPIC30F3010為28引腳器件，I／O口有限，不能設計人機接口，因此，需采用RS-232接口與PC機連接，通過(guò)超級終端軟件實(shí)現人機對話(huà)。

6 系統軟件設計

軟件由初始化模塊、啟動(dòng)模塊及無(wú)傳感器運行模塊構成。因電機啟動(dòng)時(shí)轉速很低，反電動(dòng)勢很小，故反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)檢測法失效。只能用開(kāi)環(huán)控制電機，當電機達到一定轉速后切換到閉環(huán)控制，采用反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)檢測法檢測轉子位置，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)勢過(guò)零點(diǎn)檢測模塊中，對經(jīng)電阻分壓后的端電壓進(jìn)行A／D轉換，再根據式(1)、(2)、(3)計算各相反電動(dòng)勢，如果某相的反電動(dòng)勢為零，則該時(shí)刻對應著(zhù)該相反電動(dòng)勢過(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。這就要求對端電壓分壓的電阻必須對稱(chēng)，以減小誤差，且A／D轉換頻率應該與電機轉速相匹配。

7 結束語(yǔ)

實(shí)驗證明，該無(wú)刷直流電機硬件結構簡(jiǎn)單、可控性好。低速啟動(dòng)時(shí)，電機性能不如有傳感器無(wú)刷直流電機，但啟動(dòng)后性能與有傳感器相當。無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機可在惡劣的工作環(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。