1 引言

無刷直流電機(jī)既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、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、無勵磁損耗、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。無刷直流電機(jī)是一種特殊的永磁同步電機(jī)，傳統(tǒng)的無刷直流電機(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，限制了某些場合的應(yīng)用。

本文給出一種基于反電動勢過零點(diǎn)檢測法控制無刷直流電機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法，該方法所需硬件簡單。軟件功能強(qiáng)大。

2 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

無刷直流電機(jī)由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測電路以及電子開關(guān)電路3部分組成。其示意圖如圖1所示。

電子開關(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)動電路以及轉(zhuǎn)子位置信號處理模塊構(gòu)成。轉(zhuǎn)子位置檢測電路主要作用是實(shí)時(shí)檢測轉(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 無刷直流電機(jī)工作原理

有刷直流電機(jī)通過電刷實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組的換相，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，且定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場方向垂直，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。無刷直流電機(jī)工作過程與此類似，不同之處在于通過電子開關(guān)電路控制定子換相，使定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使得永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由此可見，無刷直流電機(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 反電動勢過零點(diǎn)檢測法

要實(shí)現(xiàn)無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制，關(guān)鍵問題是如何獲得轉(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，定子繞組切割該磁場，感應(yīng)出電動勢，該電動勢就是反電動勢。反電動勢過零點(diǎn)檢測法是一種常用的方法，由無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)可知，反電動勢過零點(diǎn)與轉(zhuǎn)子位置有對應(yīng)關(guān)系，通過對定子繞組上反電動勢的檢測得到過零點(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)通為例說明反電動勢與換相的關(guān)系以及反電動勢檢測方法。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)生的反電動勢波形如圖4所示，Ea、Eb、Ec分別為a、b、c相的反電動勢。

當(dāng)某一相的反電動勢出現(xiàn)過零點(diǎn)后，再延遲30°電角度就是換相時(shí)刻。因此只要能檢測到反電動勢的過零點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)速，延時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過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)反電動勢不能直接檢測，只能間接獲取。由電機(jī)三相端電壓平衡方程可以推導(dǎo)出在反電動勢過零點(diǎn)附近有：

其中，Ua、Ub、Uc為a、b、c相的端電壓。

通過檢測相電壓，再根據(jù)式(1)、(2)、(3)很容易得到反電動勢過零點(diǎn)，再延時(shí)30°電角度換相，就可以使勵磁與轉(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)無刷直流電機(jī)的控制。dsPIC30F3010具有6路10位A／D、專門針對電機(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，得到反電動勢過零點(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)對電機(jī)調(diào)速。

通過對阻值為0.1Ω的電阻端電壓的檢測獲取過流、過載信息，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)反電動勢通常比5 V高，故必須通過電阻分壓后才能進(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，通過超級終端軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件由初始化模塊、啟動模塊及無傳感器運(yùn)行模塊構(gòu)成。因電機(jī)啟動時(shí)轉(zhuǎn)速很低，反電動勢很小，故反電動勢過零點(diǎn)檢測法失效。只能用開環(huán)控制電機(jī)，當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后切換到閉環(huán)控制，采用反電動勢過零點(diǎn)檢測法檢測轉(zhuǎn)子位置，所以啟動模塊是必須的。軟件主程序流程如圖6所示。

在反電動勢過零點(diǎn)檢測模塊中，對經(jīng)電阻分壓后的端電壓進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，再根據(jù)式(1)、(2)、(3)計(jì)算各相反電動勢，如果某相的反電動勢為零，則該時(shí)刻對應(yīng)著該相反電動勢過零點(diǎn)。如果三個(gè)值都不為零，則說明換相時(shí)刻還沒有到來，不需要換相。這就要求對端電壓分壓的電阻必須對稱，以減小誤差，且A／D轉(zhuǎn)換頻率應(yīng)該與電機(jī)轉(zhuǎn)速相匹配。

7 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)證明，該無刷直流電機(jī)硬件結(jié)構(gòu)簡單、可控性好。低速啟動時(shí)，電機(jī)性能不如有傳感器無刷直流電機(jī)，但啟動后性能與有傳感器相當(dāng)。無傳感器無刷直流電機(jī)可在惡劣的工作環(huán)境下工作，受干擾比較小，可靠性高，成本低，具有較廣闊的市場前景。