无刷直流电机无位置传感器的控制系统.docx
无刷直流电机无位置传感器的控制系统1引言无刷直流电机(B1.DCM)以它优越的性能，被广泛地应用于各个领域。在无刷直流电机的控制中，转子位置的检测是至关重要的。对无刷直流电(B1.DCM)的无位置传感器控制，典型的方法有：反电势法；定子三次谐波法；涡流效应法；磁链法等。由于反电势法相对的简单，因而至今仍被广泛地采用。但反电势法存在着：由于在电机启动和低速运行时，反电势很小；过零点检测困难、启动困难等缺陷。本文探讨了反电势逻辑换相法，来实现对无刷直流电机(B1.DeM)的控制，经实验，获得了较好的效果。2反电势逻辑换相法控制原理反电势法检测转子的位置，是通过检测定子绕组未导通相的感应电势，来间接得到转子位置信号的。但定子绕组的感应电势是难以直接测量的，人们实际上是通过检测定子端电压，来间接获得反电势的。因而，“反电势法”又称“端电压法:本文采用两相导通三相六拍运行方式的B1.DCM,这种电机运行时三相绕组中任意时刻总有一相处于断开状态,对断开相的反电势开展检测，从而获得转子位置信号。该电机正常运行时反电势为梯形波，如图1所示。图1中Vx(x=a,b,c)为绕组的对地电压，而不是相对于三相绕组中性点的电压。只要检测到任意时刻的Va、Vb.Vc,便可由程序计算出未导通相的反电势。如果计算出某相的反电势为零，则说明该相的反电势过零点，从而获得转子信号。图1中，若将转子旋转3600电角度的空间分为六个连续的等分区，一个周期的每个区间内，三相绕组的反电势总是呈现三个不同的状态。即：一相绕组的反电势处于Emax时，另一相绕组的反电势处于EnIin,第三相反电势则处于从EnIin向EmaX变化、或从EmaX向EnIin的变化中。显然，在每种状态中，电流总是从反电势处于Emax的一相流向反电势处于Emin的一相。反电势处在变化过程中的一相中则无电流，也无电压。从理论上来说，无刷直流电机的每一次换相，都恰好发生在反电势处于过渡过程中那一相的反电势为Emax>或为Emin的一瞬间。但捕捉这一瞬间的信号开展换相很困难，很容易引起失步。为解决这一问题，引入AV（反电势增量）使换相时刻稍作提前。Eone比Emax小AV,Ezero比EnIin大AV,如图1中的拐点SI、S2o只要能准确地判断出这些拐点，就能实现正确换相。因而，只要在控制电路中对反电势开展分压，选取合适的分压电阻，就可以得到一个比Emax小AV的Eone值，比Emin大V的Ezero值。然后将Va>Vb>Vc与Eone和Ezero开展比较，便可得到六路时序逻辑信号：A、B、C、D、E、Fo上述六状态中三相绕组的通电状态可用一组000、001、Ill逻辑向量来分别描述，实际情况下000和Ill的状态不存在。每相绕组的通电状态处于逻辑1时表示：（1）其反电势处于最大电压值Emax;（2）反电势处于由Emax向EnIin变化的过程中，且其值大于前面设定的EZero。每相绕组的通电状态处于逻辑0时表示：（1）其反电势处于最小电压值Emin；(2)反电势处于由Emin向Emax变化的过程中,且其值小于前面设定的Eone。在电动机旋转一周过程中，各相绕组的逻辑量只变化两次，其跳变的位置如图1中的黑点所示。在VC波形图上的S1.S2范围内，C相绕组处于逻辑0,在S2、S3的范围内，C相绕组处于逻辑Io电机正反转时的各状态所处的逻辑表如下表Io3反电势逻辑换相法控制方案无位置传感器无刷直流电机的控制关键在于准确地检测转子的位置。本文设计了专门的电子电路，用以分析反电势的大小。该系统由控制电路和功率电路组成。控制电路主要有反电势检测、电流检测、调速电路、过压保护电路、欠压保护电路等组成。功率电路主要有整流滤波电路、逆变电路、功率驱动等电路组成。如图3o该系统以DSP芯片TMS320F240为核心，其中PWM信号利用DSP自带的6路独立的PWM波,由PWMPWM6的6个引脚得到输出控制PWM波形。为控制电机的转速、启动结束和正反转，系统引入了三路AD转换，用以检测三路控制信号。控制信号来自于AD转换器对定子三相反电势Va、Vb.VC的计算，再经驱动芯片IR2130功率放大后，加载到相应的功率管的栅极上。如图3和图4。4软件构成本软件包括初始化模块和运行模块，用以实现无位置传感器无刷直流电机的反电势检测、电流和转速的调节、PWM信号的产生等。初始化模块只是在程序开始时运行一次。运行模块是无位置传感器控制的专用程序模块，主要有PWM中断单元和ADC中断单元构成。通过用户界面可以很方便地修改其指令。图5为主程序构造框图。无刷直流电机运行时，要不断地输出PWM波，并以中断的方式对PWM波开展控制，从而完成电压电流的检测、AD转换等。图6和图7分别为PWM中断程序和电机速度调节程序框图。电机的启动是以标志位BEGIN为依据的，当BEGIN=I时，电机启动；BEGIN=O时，电机停转。在主程序中，不断检测BEGIN的值，以确定电机的运行状态。在ADC中断服务子程序中已经根据变量ADD-SUB的值确定电机的正反转方向，同时完成对表1中换相标志量CAPT的赋值，保证主程序中能够实现按设定转向开展正确的PWM波输出设置。5电机启动与正反转控制电机转子的初始位置对于实现电机正反转至关重要。在此采用预定位法启动。因为无刷直流电机的绕组是两两导通的，据此可强制触发逆变器中的任意两功率管导通，如G6、Gl管。对电机A、B两相通电，电流从A相流入B相，使其导通一段时间。将转子磁极拖到与定子合成磁势轴线重合的位置，实现预定位。实现转子的预定位后，关断前面的两（G6、GD导通管，同时再强制触发下一步该导通的另外两个功率管，最终使电机进入预设的转向运动状态。如选择G4、G3管，电流从B相流入A相，电机趋于正转状态。如图2。若在G6、Gl导通的根底上，选择Gl、G2管，电流从A相流入C相，电机趋于反转状态。这就是说，电机的转向控制取决于电机预定位后所选择的强制导通的那两个管子。转向控制结束后，再由控制电路产生一开关信号，打开译码电路，使逆变电桥各管的通断完全由译码器控制。若按G6G1-G1G2-G2G3-G3G4-G4G5-G5G6-G6G1的规律使各管两两导通，即按ABCDEF绕组状态导通，可实现电机正转；若按G4G3一G3G2-G2G1-G2G1-G1G6-G6G5-G5G4-G4G3规律，使各管两两导通，即按AFBCDE绕组状态导通，可实现电机反转。6实验效果实验效果如图8所示，a、b、C分别表示电机转速不断提高时的反电势波形。由图看出，随着电机PWM波的占空比的不断增大，电机速度的不断上升，电机电枢的反电势明显变化。由于该系统采用了PWM的设定和调节、AD转换、电流环的PlD调节、速度环的PlD调节、速度检测环等诸多的控制环节，这些环节均可在DSP中完成,使参数的调整非常简单。经实验可知，基于TMS320F240反电势逻辑换相，对无位置传感器无刷直流电机开展驱动控制，是一种有效和具有推广价值的方法。
