基于无位置传感器无刷直流电动机控制系统的设计与开发

来源:用户上传      作者:

　　摘要：随着电力电子技术、微机与微电子技术的迅速发展，无刷直流电机也得到了广泛的应用。现在无刷直流电机制发展与大功率的开关器件、稀土永磁材料、专用的集成电路等技术的发民密切相关，显示出其强大的生命力。无刷直流电机有着显著的优势，比如可靠性高、维护方便、性能好、结构简洁、转速受机械换相限制小以及噪音小等。本文就谈谈基于无位置传感器无刷直流电动机控制系统的设计开发展开讨论。
　　关键词：无位置传感器；无刷直流电动机；控制系统
　　
　　一、无刷直流电动机的工作原理
　　严格说来无刷直流电动属于永磁同步电动机的一种，具有自控变频的特点。其基本结构包括电力电子开关逆变器、磁极位置检测电路以及永磁同步电动机等三部分，属于一个电动机系统。通常一般的直电动机，其电枢与直流电源相连是通过电刷与换向器实现的，电枢本身为交变电流；但是无刷直流电机不同，其采用磁极位置检测电路以及电力电子开关逆变器，将传统直流电机中的电刷与换向器的作用取而代之，实现了电子换向代替机械换向。在无刷直流电动机中，有位置传感器或者无位置传感器会提供电机转子磁极的位置信号，经过相应的逻辑处理，控制器中会出现对应的开关状态，逆变器中的功率开关按照相应的顺序被触发，再按照相应的逻辑关系向电动机的定子各组绕向分配电源功率，最终促使电动机产生连续的转矩。
　　二、无刷直流电动机控制系统的硬件组成
　　（一）整体结构
　　本文所提出的无位置传感器无刷直流电动机控制系统，其具体功能需求如下：可以实现电机的启停；按照变频进行调速；带有过电压与过电流保护。具体构成包括四个部分，即电源电路、微控制电路、驱动电路以及位置检测电路等.
　　这其中，电源电路的具体功能如下：该系统供电电源设定为12V直流，其作用就是把12V的直流电压升至48V，无刷直流电动机驱动就以此为动力；降压整流输出+5V电压，满足微处理器系统工作电压的需求；电源电路还要设置相应的过流检测电路，以保护功率开关与驱动电路。微处理器（即MCU）电路的具体功能包括：给定换相触发脉冲；确定转子磁钢的具体位置，再按照磁钢的位置换相输出PWM信号；处理温度检测信号；对诸如直流高压过电压或者过电流等保护信号进行检测；输出相应的控制信号。驱动电路的具体功能主要有：微控制器向其发送六路PWM信号，驱动电路要予以接收，进行功率放大后可以驱动六只功率MOSFEST；将高频开关的直流高压输出，至三相Y联接电动机的定子绕组，电动机被驱动进行工作；此外，驱动电路还包括电动机定子电流的检测，以及系统过载保护电路。温度信号控制电路的具体功能包括：显示实时的温度；实现与微处理器的串行通信；设定系统所需要的温度，在比较实时温度后将结果向微处理器进行反馈，促使微处理器可以按照信号进行调速触发。
　　（二）运行控制芯片微处理器的选择
　　在电机控制系统的四大组成部分中，控制芯片微处理器的选择至为重要，因此本文就针对该部分进行重点研究。
　　1、中央处理器
　　中央处理器是整个单片机最核心的部件，它对系统数据的处理、系统的操作进行控制。其主要组成部分包括运算器、控制器、时钟、定时控制逻辑以及相应的中断部件等。单片机的类型不同，其CUP的功能特性会存在差异，相应的指令系统也有所不同，它们在运算速度、实时控制功能等方面有较大差别。从某种程度而言，单片机的主要功能技术指标是由CPU及其指令系统功能来决定的。CPU字长不同，单片机也相应的分为4位、8位、16位以及32位等多种。
　　2、存储器
　　存储器按照用途不同可以分为两种，即数据存储器与程序存储器，通常单片机应用系统要求数据存储器的容量较小，而程序存储器的容量较大。程序存储器通常为只读存储器，其容量在1-64KB范围内，这种存储器最大的特点就是开机后系统可以立即工作，即使出现掉电问题程序也不会丢失；而数据存储器通常是静态随机存取存储器，容量最多不超过几KB。
　　3、输入与输出接口
　　单片机的输入与输出接口设备是多样化的，比如电动机、电话线以及电动机等，因此单片机的I/O接口也要相应的多样化。目前，单片机的输入与输出接口类型越来越多样化，可以满足各种需要，常见的几种有并行I/O口、串行I/O口、定时器、模数转换器AD、显示器驱动器、双音频输入与输出模块和电动的特殊驱动模块等等。
　　（三）控制系统的实现
　　本文所提出的无刷直流电动机控制系统所采用的是专用控制芯片TMP88PH40，该芯片集成了可编程电机驱动器，其具有特殊的正弦波驱动；此外还包括一路10位AD转换器、同步/异步接口以及多功能计时/计数器。TMP88PH40进行位置检测处理是通过内部集成的PMD功能模块来实现的，并输出三路PWM信号与控制电平信号。对于无位置传感器无刷直流电动机而言，转子磁极的位置决定了转子绕组是否通电，将通电转子的绕组按照相应的顺序做出改变，转子即可转动。根据悬空转子绕组感应电压的过零点，即可判断出转子磁极的位置。
　　三、无刷直流电动机控制系统的软件结构
　　该控制系统的软件结构主要包括主控程序、压缩控制模块等部分。
　　初始化模块的主要功能包括系统时钟、I/O端口、看门狗、PMD各控制寄存器及中断的设置、软件中各变量初始化等。在开始时，只执行一次初始化模块。压缩机控制模块的主要功能是实现对压缩机的运行控制。本文所提出的系统起动方式为预定位模式。其具体步骤如下：第一，控制程序向电机发送一个确定通电状态的指令，即任意两相定子绕组均处于通电的状态，并作相应的延时。电机定子合成磁势在空间上就会确定出一个方向，将转子磁极拖至定子合成磁势轴线重合位置，转子预定位即告完成；第二，将电机的通电状态做出改变，使得定子合成磁势向下个位置转变，受到电磁转矩的作用，转子磁极慢慢移至定子磁势的轴线方向。在这个过程中，程序不会进行反电势过零检测，因此反电势过零检测信号不会对换相进行限制，而是由软件延时对其时间间隔加以控制，并且该时间间隔是固定的。在TMP88PH40中，程序控制PWM信号的占空比占据PMD功能模块的比重越来越大，从而电动机绕组中所加的端电压值就会越来越高。如果电动机的转速达到了设定的值，程序就会自动中动，从而电动机就会转变为无传感器运行模式[张琛.无刷直流电动机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2004:1-1]。
　　总之，无刷直流电机可以同步运行，并且兼具有刷直流电机优良的调速性能，是由于其电机转子的位置决定其电力电子逆变器功率器件的导通与否，由此可见，电机转子位置信号的重要性。相对而言，外置式转子位置传感器对于永磁无刷直流电动机的发展有一定的限制，而无位置传感器无刷直流电动机控制系统在检测电机转子位置时，采用的是其它的方法，因此对于无刷直流电机的发展有一定的促进作用。
　　参考文献：
　　[1] 雍爱霞,孙佩石.无位置传感器直流电机控制的简易方法[J].微电机,2010(4):33
　　[2] 张相军,陈伯时,朱平平,等.直流无刷电机无位置传感器控制中反电动势过零检测算法及其相位修正[J].电气传动,2009(2):14-16
　　[3] 王晓明,王玲.电动机的DSP控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:229-230
　　[4] 韦彩兵,任永德,谢宝昌.无刷直流电机的无位置传感器DSP控制[J],中小型电机,2009(3):27-30
　　[5] 张琛.无刷直流电动机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2004:1-13
　　

转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-577197.htm