摘要：針對無刷直流電機方波驅(qū)動出力大．正弦波驅(qū)動轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲小的特點，設(shè)計了基于霍耳傳感器信號的無刷直流電機方波與正弦波復合驅(qū)動器。在不改動硬件電路的前提下，利用軟件編程實現(xiàn)了無刷直流電機的方波驅(qū)動與正弦波驅(qū)動以及兩種驅(qū)動方式間的動態(tài)切換。實驗結(jié)果表明，無刷直流電機運行穩(wěn)定，切換方式靈活。該設(shè)計的方波正弦波復合驅(qū)動器可以有效拓寬無刷直流電機在高精度、低噪聲環(huán)境下的應用。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；方波驅(qū)動；正弦波驅(qū)動無刷直流電機以其體積小、效率高、壽命長、易于維護等優(yōu)點，廣泛應用于家電、醫(yī)療器械、航空航天等各個領(lǐng)域。無刷直流電機一般采用方波驅(qū)動，出力大，但轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲也比較大，影響著無刷直流電機在高精度、低噪聲環(huán)境下的應用。
近年來，國內(nèi)外相關(guān)文獻對無刷直流電機的正弦波驅(qū)動進行了研究，當無刷直流電機采用正弦波驅(qū)動時，電機的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲要小于方波驅(qū)動。因此，本文針對無刷直流電機方波驅(qū)動出力大，正弦波驅(qū)動轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲小的特點，設(shè)計了無刷直流電機方波正弦波復合驅(qū)動器，實現(xiàn)了無刷直流電機的方波驅(qū)動和正弦波驅(qū)動，以及兩種驅(qū)動方式的動態(tài)切換。
1控制系統(tǒng)整體設(shè)計
驅(qū)動模式由外部的驅(qū)動模式按鍵狀態(tài)決定，可以通過驅(qū)動模式按鍵來實現(xiàn)驅(qū)動方式的動態(tài)切換。其中，電機控制系統(tǒng)處理器采用微芯公司的dsPIc30F40n數(shù)字信號控制器，通過對ds P1c30F4011進行編程實現(xiàn)無刷直流電機的方波與正弦波的復合驅(qū)動。控制器產(chǎn)生的PwM信號經(jīng)光電隔離后傳給IR2130驅(qū)動芯片。IR2130具有獨特的自舉電路，一片IR2130就可以驅(qū)動一套典 。
2 方波驅(qū)動
無刷直流電機的方波驅(qū)動模式根據(jù)霍耳信號的6個狀態(tài)控制電機繞組的導通與關(guān)斷，相對正弦波驅(qū)動而言控制更加簡單。一般采用兩兩導通模式，即每一時刻兩相導通，每相導通120。(電角度)。dsPIc30F401l中集成了專門針對電機控制的PwM模塊(McPwM)，可以方便地控制各種電機。無刷直流電機的控制主要是根據(jù)霍耳信號進行換相，而dsPIC30F4011中的PWM輸出改寫寄存器(ovDcoN)可以很方便地控制PwM的輸出，通過修改OVDcoN寄存器的值可以很容易地實現(xiàn)無刷贏流電機的換相。
3 正弦波驅(qū)動
無刷直流電機的轉(zhuǎn)子位置一般是通過霍耳傳感器來檢測的。方波驅(qū)動時只需幾個離散的轉(zhuǎn)子位置點即可，但要實現(xiàn)電機的正弦驅(qū)動，必須知道轉(zhuǎn)子的準確位置。因此，如何根據(jù)霍耳信號來計算轉(zhuǎn)子位置是實現(xiàn)無刷直流電機正弦波驅(qū)動的關(guān)鍵之一。
3．1轉(zhuǎn)子位置檢測與扇區(qū)細分
無刷直流電機位置檢測為霍耳元件，其輸出脈沖波形是占空比為50％的方波信號。霍耳信號脈沖波形的上升沿和下降沿代表著O和180。
(電角度)。因此，可以通過測量霍耳信號的上升沿和下降沿之間的時間差來計算電機的轉(zhuǎn)速，并對扇區(qū)進行細分。
3．2 svPwM的產(chǎn)生
本文中無刷直流電機的正弦波驅(qū)動采用SVPwM調(diào)制方式，由霍耳信號來進行扇區(qū)選擇。
dsPIc30F4011具有DsP高速運算的特點，同時具有專門針對電機控制的PWM模塊，可以很方便地產(chǎn)生svPwM。sVPwM產(chǎn)生的總體思路為：在每次PwM的周期中斷中，進行電壓空間矢量的相角累加，然后根據(jù)電壓空間矢量的相角判斷所在的扇區(qū)，根據(jù)所在扇區(qū)計算各路PWM的占空比。
4驅(qū)動方式的切換
無刷直流電機方波驅(qū)動時采用兩兩導通方式，每一時刻只有2個功率管是導通的；而無刷直流電機的正弦波驅(qū)動采用三三導通模式，每一橋臂的上下2個功率管是互補導通的，每一時刻有3個功率管處于導通狀態(tài)。因此，要實現(xiàn)無刷直流電機的方波與正弦波兩種驅(qū)動方式的動態(tài)切換，就必須考慮每個時刻功率管的導通狀態(tài)以及當前電機的轉(zhuǎn)子位置。本文中采用軟件編程的方法實現(xiàn)兩種驅(qū)動方式的動態(tài)切換。軟件切換的全部工作量都由dsPIC30F4011完成。
有一種PwM形式輸出有效，至于選擇哪種PwM進行輸出，由外部的驅(qū)動模式按鍵的狀態(tài)決定。考慮到正弦波驅(qū)動時電壓空間矢量的相角與實際電機轉(zhuǎn)子位置存在誤差，當檢測到外部按鍵變化需要進行切換時，并不立即進行切換，而是等到霍耳信號發(fā)生跳變時才進行驅(qū)動模式的切換。
因為每一次霍耳信號的跳變，表示電壓空間矢量到達6個基本電壓矢量中的一個，都會進行一次電壓矢量相角位置的校準，如此一來可使每一次切換時，電壓矢量相角與轉(zhuǎn)子位置誤差最小。
5 實驗結(jié)果
本次試驗的無刷直流電機繞組為星型連接。在實驗過程中，逆變器母線電壓恒定為28 V，采用電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速恒定為486 r／min。用電流鉗將電機的相電流信號轉(zhuǎn)成電壓信號，冉通過示波器來觀察電機在不同驅(qū)動模式下的電流波形。 |
