電感法無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的實(shí)驗(yàn)研究
李新華，吳迪(湖北上業(yè)人學(xué)，湖北武漢430068)
摘要：文章用實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了一種基于兩相導(dǎo)通電感法無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)控制的新方法。該方法通過檢測在兩相導(dǎo)通電壓脈沖F的繞組的電流響應(yīng)，并與事先推導(dǎo)的電流變化率關(guān)系進(jìn)行比較，從而得到轉(zhuǎn)了的初始位置，并能在起動(dòng)加速階段為轉(zhuǎn)子定位，直到切換到反電動(dòng)勢法運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：無刪直流電動(dòng)機(jī)；電感法；控制器；轉(zhuǎn)子初始位置；單片機(jī)
0引言
電感法是無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)研究中引人關(guān)注的一種方法。對于轉(zhuǎn)子表面粘貼磁鋼(以下簡稱面裝式)集中繞細(xì)無刷直流電動(dòng)機(jī)，它是利用定子鐵心磁路的非線性特性，即對于不同的轉(zhuǎn)了位置，定子繞組中電流變化率是鐵心磁導(dǎo)率的函數(shù)，通過檢測電流變化率可以得到轉(zhuǎn)子的位置信息。文獻(xiàn)『1]介紹了電感法的基本原理，在此基礎(chǔ)上分別討論了無刷直流電動(dòng)機(jī)定子一相通電和二相通電時(shí)轉(zhuǎn)了磁極極性的確定方法，以6極／9槽三相六狀態(tài)無刷直流電動(dòng)機(jī)為例分析了不同轉(zhuǎn)子平衡位置與電流變化率的大小關(guān)系，為本文的實(shí)驗(yàn)研究奠定了理論基礎(chǔ)。
基于電感法面裝式無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置的確定方法，日前主要有采用單相或二三相導(dǎo)通通電的檢測方法。單相通電檢測方法是通過對無刷直流電動(dòng)機(jī)某一相定子繞組施加脈沖電壓，檢測中線上的電流變化情況，從而獲知轉(zhuǎn)子初始位置；三相通電檢測方法是通過對無刷直流電動(dòng)機(jī)二相繞組同時(shí)施加脈沖電壓，檢測直流母線上電流變化情況，從而獲知轉(zhuǎn)子初始位置。一相通電方法需要無刷直流電動(dòng)機(jī)引出繞組中線，一相通電與三相通電一樣，還要改變逆變器的導(dǎo)通邏輯，比較麻煩。
眾所周知，三相方波無刷直流電動(dòng)機(jī)采用兩相通電方式。為了不改變現(xiàn)有控制器的導(dǎo)通模式，同時(shí)控制器硬件也基本不變，本文按兩相導(dǎo)通方案制作了基于電感法無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)及控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為120 w六極九槽面裝式無刷直流電動(dòng)機(jī)，基于c8051F()f15單片機(jī)的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器，編寫了系統(tǒng)控制軟件，包括無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件以及信號(hào)檢測和轉(zhuǎn)了初始位置分析軟件。
1控制器硬件構(gòu)成
無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器組成框圖如圖1所示�？刂破饕詂8051F005單片機(jī)為控制核心，其主要作用是：接收外部控制信號(hào)，并對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示輸出：通過光耦對逆變電路進(jìn)行換相控制，從而控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行；處理電流采樣信號(hào)和反電動(dòng)勢信號(hào)。逆變電路由IRF840功率MOsFET組成，由三個(gè)IR2103驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)與逆變橋之間采用6N137光耦進(jìn)行隔離。
控制器需要對短時(shí)脈沖信號(hào)進(jìn)行快速和精確采樣，同時(shí)無刷直流電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)要及時(shí)檢測反電動(dòng)勢信號(hào)，計(jì)算電動(dòng)勢過零點(diǎn)，并進(jìn)行電機(jī)換相控制，因此需要有高速和高精度的Mcu數(shù)字芯片來支撐。本控制器選用c805lF005高速單片機(jī)，12位采樣電路****采樣速度可達(dá)1 00ksps。此外，片上豐富的集成資源為構(gòu)造簡潔的控制器提供了保證_。
2 1電流檢測濾波環(huán)節(jié)
通過檢測串聯(lián)在逆變橋負(fù)端采樣電阻上的電壓，經(jīng)微分環(huán)節(jié)后可以得到電流變化率信號(hào)。采樣信號(hào)經(jīng)過一階Rc濾波環(huán)節(jié)和一階電壓跟隨送到單片機(jī)的采樣引腳。Rc濾波環(huán)節(jié)采用5 kn多圈精密電位器和l nF聚苯濾波電容構(gòu)成，截止頻率1MHz左右，可以****限度的減少檢測環(huán)節(jié)的相位滯后，并對反向尖峰進(jìn)行了有效抑制。一階電流跟隨環(huán)節(jié)是對濾波環(huán)節(jié)輸出進(jìn)行電壓跟隨，其作用在于進(jìn)一步降低波形的毛刺和過沖，如圖2所示。
2 2反電動(dòng)勢檢測環(huán)節(jié)
反電動(dòng)勢檢測環(huán)節(jié)的作用是檢測反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)，以保證一定轉(zhuǎn)速后無刷電動(dòng)機(jī)的正常換相反電動(dòng)勢檢測環(huán)節(jié)采用端電壓反向過零點(diǎn)檢測方法，通過重新構(gòu)造電機(jī)的中點(diǎn)，并與反電動(dòng)勢信號(hào)進(jìn)行比較，得到反電動(dòng)勢過零點(diǎn)。新構(gòu)造的中點(diǎn)通過電容與逆變橋的負(fù)端相接，以減少直流偏置對中點(diǎn)電位的影響。反電動(dòng)勢信號(hào)經(jīng)過分壓和階濾波后送入電壓比較器LM339。
3軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)文獻(xiàn)[1]所介紹的面裝式無刷直流電動(dòng)機(jī)初始位置檢測的基本原理和方法，轉(zhuǎn)子位置檢測子程序會(huì)按Ac、Bc、BA、cA、cB、AB六個(gè)通電狀態(tài)依次發(fā)出導(dǎo)通指令，給無刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組施加脈沖電壓，脈沖電壓的長度為TS(稱為有效通電時(shí)間)。單片機(jī)會(huì)在一個(gè)電壓脈沖結(jié)束之前對電流響應(yīng)峰值進(jìn)行采樣，然后程序按文獻(xiàn)[1]中的表1和表2做一個(gè)兩步判斷，以確定轉(zhuǎn)子的初始位置。
電感法無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器主程序流程圖如圖3所示。
程序啟動(dòng)后自動(dòng)進(jìn)行初始化，然后等待起動(dòng)中斷；當(dāng)?shù)玫狡饎?dòng)命令后，進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始位置檢測：轉(zhuǎn)子初始位置確定后，系統(tǒng)進(jìn)入到閉環(huán)起動(dòng)，并在10％額定轉(zhuǎn)速左右切換到反電動(dòng)勢控制的運(yùn)行狀態(tài)。
有效通電時(shí)間Ts的選擇至關(guān)重要。如果有效通電時(shí)間過長，電機(jī)會(huì)發(fā)生明顯的抖動(dòng)；如果有效通電時(shí)間過短，則電流上升不足，影響采樣精度。
因此設(shè)計(jì)時(shí)必須合理選擇電流上升時(shí)間。
繞組電流式中，UDc為逆變橋直流側(cè)電壓，R為兩相等效電阻，τ為電流上升的時(shí)間常數(shù)，由兩相等效電感和電阻決定。
當(dāng)t=τ時(shí)，電流上升到穩(wěn)態(tài)值的63 2％，足夠檢測之用。由精密電橋測得試驗(yàn)樣機(jī)一相電阻為4 592Ω，一相電感為20 21 mH，故得r=4 4ms。實(shí)際調(diào)試時(shí)有效通電時(shí)間TS=2．5ms，效果良好。
采用位置閉環(huán)起動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的10％左右，直至反電動(dòng)勢足夠反映轉(zhuǎn)子位置為止。閉環(huán)起動(dòng)采用電感法檢測，即在轉(zhuǎn)子初始位置確定后，導(dǎo)通對應(yīng)的兩相一定時(shí)間后再次使用電感法檢測，看轉(zhuǎn)子位置是否到了下一個(gè)預(yù)定位置，如此循環(huán)。
由于通電時(shí)間較短，反電動(dòng)勢很低(40 mv左右)，并不影響電機(jī)起動(dòng)。
4實(shí)驗(yàn)及分析
基于電感法無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)及控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)如圖4所示。
圖5和圖6所示為電流采樣電阻上電壓波形。
圖中的六個(gè)脈沖波形是按Ac、Bc、BAcA、CB、AB六個(gè)通電狀態(tài)依次施加電壓脈沖得到的電流響應(yīng)。從圖中可以看到，在某一平衡位置，各通電狀態(tài)下電流響應(yīng)有著明顯的不同。在通電時(shí)間一定的情況下，電流峰值就能反映電流變化率的大小。經(jīng)過對電流響應(yīng)峰值的差分采樣和PGA四倍增益后可得對應(yīng)于圖5的單片機(jī)采樣數(shù)據(jù)為Ox0288，0x029C、，Ox02F4，Ox02A4，0x0298，Ox02F4。雖然這些數(shù)據(jù)沒有嚴(yán)格的相等關(guān)系，但是經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析，在一定的誤差范圍內(nèi)可以認(rèn)定兩個(gè)數(shù)據(jù)相等。
位置判斷子程序在得到采樣數(shù)據(jù)之后，首先對其進(jìn)行排序，將數(shù)值****的兩個(gè)進(jìn)行比較，若在允許誤差范圍以內(nèi)則認(rèn)為相等。采樣數(shù)值****對應(yīng)于在此平衡位置下，此兩種通電狀態(tài)電感相對最小。如圖5中BA和AB通電狀態(tài)對應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)都為Ox02F4，認(rèn)定它們相等，記為BA=AB.
以此查找電流變化率相等表格，判斷此時(shí)處于第1I或第V平衡狀態(tài)。第二步根據(jù)可能的平衡位置，查找電流變化率相對大小關(guān)系表格，對應(yīng)于Bc>cB，AC＞CA，可以判定此時(shí)所處于第1I平衡位置。
同理，圖5對應(yīng)的單片機(jī)采樣數(shù)據(jù)為0x026C：，0x02fE4，0x02BC：，Ox294，0x02Ec，0x0280。
第一步判定BC=cB，處于第1或第Ⅳ平衡位置。第二步判定cA>AC，BA>AB，兩步綜合確定其對應(yīng)于第Ⅳ平衡位置。
圖7為經(jīng)過濾波的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)波形，從途中可以看出此波形與一般無刷直流電動(dòng)機(jī)所用HALL波形基本相同。只要延遲電角度換相，能夠得到比較平穩(wěn)的驅(qū)動(dòng)特性。
當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)中還是發(fā)現(xiàn)了一些問題，如濾波不夠****。
濾波不****使得采樣有時(shí)會(huì)岡為干擾過大而造成失敗，增加了轉(zhuǎn)了位置的確定時(shí)間，造成電機(jī)起動(dòng)時(shí)間的延長，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電流采樣值在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，增加了程序判斷的復(fù)雜性，同樣造成了起動(dòng)延遲。
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