“反電動(dòng)勢(shì)法”永磁直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

O 引言
永磁直流無刷電機(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)于永磁直流無刷電機(jī)的控制方式，可以分為兩大類：有位置傳感器控制方式和無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關(guān)的控制信號(hào)，然后由主開關(guān)完成對(duì)永磁無刷直流電機(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)了永磁無刷直流電機(jī)的自同步控制。
研究對(duì)象永磁直流無刷稀土電機(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)稱繞組采用整距、集中繞組，無中線引出線，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)的過零點(diǎn)信號(hào)，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)過零點(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)無法直接測(cè)量得到，可通過測(cè)量電機(jī)端電壓來間接獲取電機(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。