1 引言 無(wú)刷直流電機(jī)既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機(jī)運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗、調(diào)速性能好的特性，因此在各行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。無(wú)刷直流電機(jī)是一種特殊的永磁同步電機(jī)，傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)大多數(shù)采用位置傳感器確定轉(zhuǎn)子位置，并據(jù)此控制驅(qū)動(dòng)電路換相。由于位置傳感器的存在，增加了電機(jī)體積和成本，降低了電機(jī)可靠性，限制了某些場(chǎng)合的應(yīng)用。本文給出一種基于反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法控制無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法，該方法所需硬件簡(jiǎn)單。軟件功能強(qiáng)大。2 無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流電機(jī)由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)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(jī)本體定子各相繞組的通電順序和時(shí)間，主要由功率管、驅(qū)動(dòng)電路以及轉(zhuǎn)子位置信號(hào)處理模塊構(gòu)成。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路主要作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，為換相提供依據(jù)。電機(jī)本體由定子線圈繞組與永磁轉(zhuǎn)子構(gòu)成。電機(jī)本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。3 無(wú)刷直流電機(jī)工作原理有刷直流電機(jī)通過(guò)電刷實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組的換相，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，且定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向垂直，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。無(wú)刷直流電機(jī)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(zhuǎn)磁場(chǎng)，使得永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由此可見(jiàn)，無(wú)刷直流電機(jī)中，轉(zhuǎn)子位置非常重要，否則不能準(zhǔn)確控制換相時(shí)間，導(dǎo)致電機(jī)不能輸出最大轉(zhuǎn)矩，甚至不能運(yùn)轉(zhuǎn)。4 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法要實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的控制，關(guān)鍵問(wèn)題是如何獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。由于永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，定子繞組切割該磁場(chǎng)，感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)就是反電動(dòng)勢(shì)。反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法是一種常用的方法，由無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)可知，反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)與轉(zhuǎn)子位置有對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)對(duì)定子繞組上反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)得到過(guò)零點(diǎn)，就可以得到轉(zhuǎn)子位置信息，由此控制換相。以三相y型連接，兩兩導(dǎo)通為例說(shuō)明反電動(dòng)勢(shì)與換相的關(guān)系以及反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方法。電機(jī)主回路電路如圖3所示。轉(zhuǎn)子以ω角速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各相產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形如圖4所示，ea、eb、ec分別為a、b、c相的反電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)某一相的反電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)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(cè)到反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)速，延時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30°的時(shí)間，控制圖3中q1至q6的通斷，就可實(shí)現(xiàn)換相。實(shí)際中，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)不能直接檢測(cè)，只能間接獲取。由電機(jī)三相端電壓平衡方程可以推導(dǎo)出在反電動(dòng)勢(shì)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(cè)相電壓，再根據(jù)式(1)、(2)、(3)很容易得到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，再延時(shí)30°電角度換相，就可以使勵(lì)磁與轉(zhuǎn)子同步。5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用microchip公司的dspic30f3010微控制器實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的控制。dspic30f3010具有6路10位a／d、專(zhuān)門(mén)針對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)的6路pwm模塊、5路16位定時(shí)器、24 kb flash程序存儲(chǔ)器以及1 kbram。其硬件電路圖如圖5所示。用an2、an3、an4實(shí)現(xiàn)電機(jī)端電壓檢測(cè)，得到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。采用pwm模塊控制6個(gè)mos-fet通斷，就可實(shí)現(xiàn)換相。采用不同的占空比就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)調(diào)速。通過(guò)對(duì)阻值為0.1ω的電阻端電壓的檢測(cè)獲取過(guò)流、過(guò)載信息，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際情況調(diào)整放大倍數(shù)和比較器的參考電壓。因電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)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(zhuǎn)換，分壓電阻根據(jù)電機(jī)母線電壓不同取不同值，只要能保證分壓后的電壓在微控制器的允許范圍內(nèi)即可。3相逆變橋由6個(gè)mosfet構(gòu)成，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ir2407，它可承受600 v電壓，電流達(dá)49 a。pwm驅(qū)動(dòng)器由3片ir2110構(gòu)成。由于dspic30f3010為28引腳器件，i／o口有限，不能設(shè)計(jì)人機(jī)接口，因此，需采用rs-232接口與pc機(jī)連接，通過(guò)超級(jí)