“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)

O 引言
永磁直流無(wú)刷電機(jī)(BLDCM)是一種典型的機(jī)電一體化電機(jī)，除了有普通直流電機(jī)調(diào)試性能好、調(diào)速范圍寬和調(diào)速方式簡(jiǎn)單的特點(diǎn)外，還有功率因素高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別是由于它不存在機(jī)械換相器與電刷，大大的減少了換相火花，機(jī)械磨損和機(jī)械噪聲，使得它在中小功率范圍內(nèi)得到了更加廣泛的應(yīng)用，是電機(jī)的主要發(fā)展方向之一。
對(duì)于永磁直流無(wú)刷電機(jī)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(shì)控制方法、磁鏈計(jì)算法、狀態(tài)觀(guān)測(cè)器法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)控制法等。反電動(dòng)勢(shì)控制方法中對(duì)驅(qū)動(dòng)橋和電機(jī)在外電路過(guò)流時(shí)的保護(hù)極為重要，對(duì)軟件發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作時(shí)負(fù)載的保護(hù)也提出了較高的要求，本文采用反電動(dòng)勢(shì)控制方法，以直流無(wú)刷稀土電機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了兩個(gè)電流保護(hù)模塊和一個(gè)數(shù)字邏輯保護(hù)電路，提高了系統(tǒng)工作時(shí)的安全性，具有較大的研究意義。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用PWM反饋控制方式的典型閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)其中還創(chuàng)新性的加入了邏輯保護(hù)電路和兩路電流保護(hù)電路，控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。由轉(zhuǎn)速參考值n0與實(shí)際轉(zhuǎn)速的反饋值n相比較，得到的偏差送到轉(zhuǎn)速控制器，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算后輸出控制信號(hào)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(hào)，然后由主開(kāi)關(guān)完成對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)定子電流的通斷，并產(chǎn)生平均意義上旋轉(zhuǎn)的定子電樞合成磁勢(shì)，由定子電樞合成磁勢(shì)帶動(dòng)永磁體轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了永磁無(wú)刷直流電機(jī)的自同步控制。
研究對(duì)象永磁直流無(wú)刷稀土電機(jī)將磁體粘貼到轉(zhuǎn)子鐵心表面，組成所謂的隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。其定子三相對(duì)稱(chēng)繞組采用整距、集中繞組，無(wú)中線(xiàn)引出線(xiàn)，由電機(jī)學(xué)原理可知反電動(dòng)勢(shì)的波形為一梯形波，而且電機(jī)中A、B、C三相是對(duì)稱(chēng)的，它們的反電動(dòng)勢(shì)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(shì)正比于轉(zhuǎn)子角速度，有圖2所示關(guān)系。

由此得出反電動(dòng)勢(shì)法控制規(guī)律的重要結(jié)論為：通過(guò)測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)獲取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，并不是測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)大小，而是反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)后再延時(shí)30度電度角就是轉(zhuǎn)子電流下一次換相時(shí)刻。但反電動(dòng)勢(shì)無(wú)法直接測(cè)量得到，可通過(guò)測(cè)量電機(jī)端電壓來(lái)間接獲取電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)重難點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)逆變電路，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路和電路保護(hù)模塊三大部分。驅(qū)動(dòng)逆變電路包含驅(qū)動(dòng)芯片和驅(qū)動(dòng)橋式電路兩個(gè)部分，驅(qū)動(dòng)芯片采用IR2130驅(qū)動(dòng)芯片，它是專(zhuān)用的三相橋式電路驅(qū)動(dòng)芯片，可以直接驅(qū)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(nèi)部還設(shè)置有過(guò)流和欠壓保護(hù)使得在驅(qū)動(dòng)功率管時(shí)更加安全可靠。