反電動(dòng)勢(shì)法 無(wú)刷電機(jī)

1、“反電動(dòng)勢(shì)法”永磁直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間：2009-04-02 11：01：29來(lái)源：電子技術(shù)作者：武漢大學(xué)自動(dòng)化系王鴻通過(guò)表1的邏輯關(guān)系，同一橋臂上下橋臂的輸入信號(hào)互鎖，使得不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的 情況。硬件電路的連接由表l邏輯關(guān)系而定，而且可以通過(guò)與非門(mén)電路搭建而成，在此不再 詳述。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)MCU輸出控制信號(hào)控制三相全橋驅(qū)動(dòng)逆變電路，在軟件實(shí)現(xiàn)上可以采用不同的控制規(guī) 律，常用的控制方式有：三三導(dǎo)通控制方式，兩三輪流導(dǎo)通控制方式和1200導(dǎo)通型控制方 式。它們?cè)诳刂菩阅苌舷嗖畈淮?，本系統(tǒng)采用1200導(dǎo)通型控制方式，控制規(guī)律為：（1）每隔 600換流一次；（2）任何時(shí)候只有兩只開(kāi)關(guān)器件

2、同時(shí)導(dǎo)通；（3）每個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通1200根據(jù) 硬件電路的設(shè)計(jì)和1200導(dǎo)通型控制規(guī)律，橋臂與M0S管對(duì)應(yīng)關(guān)系為：A上橋臂：Tl，A 下橋臂：T4 ； B上橋臂：T3，B下橋臂：T6 ； C上橋臂：T5，C下橋臂：T2。各M0S管 導(dǎo)通順序如表2所示。表2MOS管導(dǎo)通規(guī)律狀態(tài)狀態(tài)一狀態(tài)二狀態(tài)三狀態(tài)五狀態(tài)六導(dǎo)通T1J2T2J3T4tT5TiT6T6J1電流方向C-,B+B+.A-A-,C+C+,B-采用反電動(dòng)勢(shì)法控制直流無(wú)刷稀土電機(jī)，在起動(dòng)時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速很小，無(wú)法獲得反 電動(dòng)勢(shì)，因此電機(jī)起動(dòng)順利完成要通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)。常用的起動(dòng)方式有：外同步驅(qū)動(dòng)起動(dòng) 方式和預(yù)定位起動(dòng)方式。外同步驅(qū)動(dòng)方式指以變頻

3、方式同步拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這種起動(dòng)方 式的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向是不可知的，轉(zhuǎn)子可能順時(shí)針旋轉(zhuǎn)也可能逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；另外，如 果頻率上升太快，電機(jī)很容易失步。預(yù)定位方式起動(dòng)是在起動(dòng)開(kāi)始時(shí)給電機(jī)一個(gè)確定的通電 狀態(tài)，使轉(zhuǎn)子定位。然后改變電機(jī)的通電狀態(tài)，在電磁力矩的作用下使轉(zhuǎn)子向確定方向轉(zhuǎn)動(dòng), 在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中把電機(jī)切換到無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行方式。這樣，一方面使繞組中具有一定大小的反電 勢(shì)信號(hào)，另一方面電動(dòng)勢(shì)的相序是固定的而非隨機(jī)的，保證電機(jī)有一個(gè)確定的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)電 機(jī)的順利起動(dòng)。4總結(jié)采用以上分析設(shè)計(jì)的控制方案控制直流無(wú)刷稀土電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了反電動(dòng)勢(shì)法無(wú)傳感器控制 方式。同時(shí)采用兩個(gè)電流保護(hù)模塊，一個(gè)從硬件上實(shí)現(xiàn)保護(hù)

4、，一個(gè)從軟件方面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)保護(hù), 使得電機(jī)在外電路過(guò)流與直通發(fā)生時(shí)能更好的保護(hù)整個(gè)控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，相比較于只采 用硬件保護(hù)電路或軟件保護(hù)的反電動(dòng)勢(shì)控制方法更加靈活安全。還特別的加入了邏輯保護(hù)電 路模塊使得在軟件出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)的安全。整個(gè)系統(tǒng)在分析設(shè)計(jì)方面還有 改進(jìn)的空間，希望其他讀者能從以下方面進(jìn)行改進(jìn)。（1）更好的解決反電動(dòng)勢(shì)虛假過(guò)零點(diǎn)問(wèn)題。（2）有待研究更快更好的啟動(dòng)方法。驅(qū)動(dòng)橋式電路常用方案有：三相半橋驅(qū)動(dòng)，電容儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)和三相全橋驅(qū)動(dòng)。三相全橋驅(qū) 動(dòng)由六只功率管構(gòu)成三相六臂全控橋，雖然增加了功率開(kāi)關(guān)管的數(shù)量，但增大了轉(zhuǎn)矩輸出且 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小于三相半橋驅(qū)動(dòng)，復(fù)雜性與可靠性上

5、也優(yōu)于電容儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)，而且起動(dòng)特性和低速 平穩(wěn)性都較好，因此本系統(tǒng)采用此方案。如圖3所示，為驅(qū)動(dòng)芯片和驅(qū)動(dòng)橋式電路（只接了 一相的上下橋臂）的硬件電路設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路用于測(cè)取電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信息，從而獲得轉(zhuǎn)子位置，而且是通電機(jī)端電壓檢測(cè)共分為A、B、C三相，現(xiàn)以A相為例，先將輸入到IR2130的B和C 相驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)PWM B和PWM C通過(guò)與非門(mén)反相，得到B、C兩相上橋臂的PWM驅(qū)動(dòng) 信號(hào)相與的波形，然后跟單片機(jī)輸出控制口信號(hào)Ctr_A相與。當(dāng)單片機(jī)輸出控制口為l時(shí)， D觸發(fā)器時(shí)鐘端為B、C兩相PWM驅(qū)動(dòng)波形相與的信號(hào)；當(dāng)單片機(jī)輸出口為0時(shí)，D觸發(fā) 器時(shí)鐘端為低電平，封鎖D觸發(fā)器輸出，

6、使D觸發(fā)器輸出保持不變，從而通過(guò)編寫(xiě)軟件控 制單片機(jī)輸出口，使得每個(gè)狀態(tài)，只有一個(gè)D觸發(fā)器開(kāi)通，且在續(xù)流階段封鎖D觸發(fā)器輸 出，這樣可以很大程度的避免反電動(dòng)勢(shì)虛假過(guò)零點(diǎn)對(duì)零點(diǎn)信息測(cè)量的影響。電流保護(hù)電路包括兩個(gè)部分。第一部分如圖3所示。通過(guò)R7、R8、R9三個(gè)電阻將驅(qū)動(dòng)橋的電壓信號(hào)采集到IR2130中，一旦外電路發(fā)生過(guò)流或 直通，IR2130內(nèi)部的電流比較器迅速翻轉(zhuǎn)，故障處理單元輸出低電平，封鎖驅(qū)動(dòng)輸出口， 同時(shí)引腳FAULT向MCU發(fā)出報(bào)警信號(hào)，由此完成第一部分電流保護(hù)功能且要通過(guò)軟件設(shè) 計(jì)實(shí)現(xiàn)具體的功能響應(yīng)。第二部分電流保護(hù)主要針對(duì)驅(qū)動(dòng)橋，電路設(shè)計(jì)如圖5所示。保護(hù)電路通過(guò)Rio于Rll將驅(qū)

7、動(dòng)橋下橋臂的電壓采集到LM393的正向輸入端，可以和 事先設(shè)定的Verf進(jìn)行比較，當(dāng)驅(qū)動(dòng)橋電流過(guò)大時(shí)，LM393輸出高電平，使得Qi、Q2、Q3 都導(dǎo)通，由此降低下橋臂MOS管的柵源電壓，達(dá)到保護(hù)MOS管的目的。三相全橋的驅(qū)動(dòng)控制是由MCU通過(guò)PWM方式實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)軟件運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可能 會(huì)使得同一橋臂的上下兩個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通，這將造成短路，極易燒壞MOS管，由此設(shè) 計(jì)了邏輯保護(hù)電路模塊，使得同一橋臂上下兩個(gè)MOS管不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的情況。邏輯保 護(hù)電路輸入與輸出的邏輯關(guān)系如表1所示。表1輸入輸出邏輯關(guān)系六路輸 入信號(hào)DK D2. D3D4. D5. D6釁Q 1 = 5104Q2=D2D5

8、Q3=D3D6Q4 = D4DlQ5 = D5D2Q6 = d6D3六路輸 岀信號(hào)1Qk Q2 Q3Q4. Q5. Q6通過(guò)表1的邏輯關(guān)系，同一橋臂上下橋臂的輸入信號(hào)互鎖，使得不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的情況。 硬件電路的連接由表l邏輯關(guān)系而定，而且可以通過(guò)與非門(mén)電路搭建而成，在此不再詳述。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)MCU輸出控制信號(hào)控制三相全橋驅(qū)動(dòng)逆變電路，在軟件實(shí)現(xiàn)上可以采用不同的控制規(guī) 律，常用的控制方式有：三三導(dǎo)通控制方式，兩三輪流導(dǎo)通控制方式和1200導(dǎo)通型控制方 式。它們?cè)诳刂菩阅苌舷嗖畈淮螅鞠到y(tǒng)采用1200導(dǎo)通型控制方式，控制規(guī)律為：（1）每隔 600換流一次；（2）任何時(shí)候只有兩只開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通

9、；（3）每個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通1200根據(jù) 硬件電路的設(shè)計(jì)和1200導(dǎo)通型控制規(guī)律，橋臂與MOS管對(duì)應(yīng)關(guān)系為：A上橋臂：Tl，A 下橋臂：T4 ； B上橋臂：T3，B下橋臂：T6 ； C上橋臂：T5，C下橋臂：T2。各MOS管 導(dǎo)通順序如表2所示。表2MOS管導(dǎo)通規(guī)律狀態(tài)狀態(tài)一狀態(tài)二狀態(tài)三狀態(tài)五狀態(tài)六導(dǎo)通T1,T2T2.T3T3,T4T4tT5T6J1電流方向C-,B+A-,C+C+,B-B-aA+采用反電動(dòng)勢(shì)法控制直流無(wú)刷稀土電機(jī)，在起動(dòng)時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速很小，無(wú)法獲得反 電動(dòng)勢(shì)，因此電機(jī)起動(dòng)順利完成要通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)。常用的起動(dòng)方式有：外同步驅(qū)動(dòng)起動(dòng) 方式和預(yù)定位起動(dòng)方式。外同步驅(qū)動(dòng)方式指以變頻方

10、式同步拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這種起動(dòng)方 式的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向是不可知的，轉(zhuǎn)子可能順時(shí)針旋轉(zhuǎn)也可能逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；另外，如 果頻率上升太快，電機(jī)很容易失步。預(yù)定位方式起動(dòng)是在起動(dòng)開(kāi)始時(shí)給電機(jī)一個(gè)確定的通電 狀態(tài)，使轉(zhuǎn)子定位。然后改變電機(jī)的通電狀態(tài)，在電磁力矩的作用下使轉(zhuǎn)子向確定方向轉(zhuǎn)動(dòng), 在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中把電機(jī)切換到無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行方式。這樣，一方面使繞組中具有一定大小的反電 勢(shì)信號(hào)，另一方面電動(dòng)勢(shì)的相序是固定的而非隨機(jī)的，保證電機(jī)有一個(gè)確定的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)電 機(jī)的順利起動(dòng)。4總結(jié)采用以上分析設(shè)計(jì)的控制方案控制直流無(wú)刷稀土電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了反電動(dòng)勢(shì)法無(wú)傳感器控制 方式。同時(shí)采用兩個(gè)電流保護(hù)模塊，一個(gè)從硬件上實(shí)現(xiàn)保護(hù)，一個(gè)從軟件方面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)保護(hù), 使得電機(jī)在外電路過(guò)流與直通發(fā)生時(shí)能更