浙江鑒豐電子科技有限公司 王 慶
無(wú)刷直流電機(jī)屬于一種新型無(wú)級(jí)變速電動(dòng)設(shè)備,具有體積小、質(zhì)量輕、調(diào)速快的特點(diǎn),應(yīng)用領(lǐng)域特別廣泛。通過(guò)分析無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng),能夠幫助操作人員更好的了解無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn),進(jìn)一步提升數(shù)字信號(hào)處理質(zhì)量。鑒于此,本文主要介紹基于MCU的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)字化控制。
無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,屬于永磁同步電動(dòng)機(jī),其內(nèi)部的定子繞組在交流電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng);轉(zhuǎn)子作為無(wú)刷直流電機(jī)的永磁體,能夠?yàn)檗D(zhuǎn)子提供充足的勵(lì)磁,電樞磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)在同一反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中,能夠產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行。結(jié)合直流電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn),保證兩個(gè)磁場(chǎng)處于垂直狀態(tài),可以產(chǎn)生最大輸出電磁轉(zhuǎn)矩。由于無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài),內(nèi)部磁場(chǎng)也處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài),為了保證無(wú)刷直流電機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行,設(shè)計(jì)人員要合理優(yōu)化三相定子的通電時(shí)序,保證定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)處于垂直狀態(tài)[1]。
對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),在實(shí)際工作當(dāng)中,要結(jié)合無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子的運(yùn)行情況,并根據(jù)三相定子的通電情況,來(lái)確定霍爾位置傳感器的安裝位置?;魻栁恢脗鞲衅髂軌驕?zhǔn)確輸出轉(zhuǎn)子位置信息,幫助操作人員更好的控制通電時(shí)序,保證轉(zhuǎn)子能夠更加平穩(wěn)可靠的運(yùn)行。
無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)主控電路的過(guò)程中,可以采用XMC1302為主要控制芯片,XMC1302是基于ARM M0核的32位微控制器(單片機(jī)),它具有一個(gè)獨(dú)特的CCU8單元,CCU8單元內(nèi)部含有4個(gè)獨(dú)立的計(jì)時(shí)單元,可以同時(shí)產(chǎn)生8路互補(bǔ)的PWM信號(hào),無(wú)刷電機(jī)控制中僅需要6路互補(bǔ)的PWM信號(hào)。在定子繞組中,按不同的控制方法(如方波控制,矢量控制等)通入相應(yīng)的控制時(shí)序,在定子中就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下,永磁體轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動(dòng)。合理的控制時(shí)序,保證無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)功率更加穩(wěn)定[2]。
MCU系統(tǒng)一般為低壓系統(tǒng),無(wú)刷直流電機(jī)一般需要高壓電子開關(guān)驅(qū)動(dòng),為了保證MCU輸出的低壓PWM信號(hào)能夠可靠穩(wěn)定有效的傳輸?shù)綗o(wú)刷電機(jī)定子上,通常在MCU和無(wú)刷電機(jī)電子開關(guān)器件之間設(shè)置合理的驅(qū)動(dòng)電路,實(shí)現(xiàn)低壓與高壓的隔離,同時(shí)提升驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)能力.同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路帶有多種有效的保護(hù)機(jī)制,比如欠壓保護(hù),高邊低邊互鎖保護(hù),以及有效的濾波,提高驅(qū)動(dòng)信號(hào)的可靠性。例如,設(shè)計(jì)人員可以采用集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2136,有效提升驅(qū)動(dòng)信號(hào)的穩(wěn)定性,保證整個(gè)系統(tǒng)更加安全可靠運(yùn)行[3]。
設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子檢測(cè)電路的目的主要有兩個(gè):實(shí)時(shí)獲得轉(zhuǎn)子的位置信息和實(shí)時(shí)獲得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信息。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路一般采用霍爾位置傳感器, 霍爾位置傳感器安裝在無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部, 互差60°或120°。霍爾位置傳感器安裝精度直接影響檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的精度。還有一種比較常用的檢測(cè)方法:通過(guò)判斷非導(dǎo)通相的過(guò)零信號(hào)來(lái)判斷轉(zhuǎn)子的位置信息,此方波公適用于方波驅(qū)動(dòng)。后者省掉了霍爾傳感器,在降低硬件成本的同時(shí),減少了無(wú)刷直流電機(jī)在制造過(guò)程中的工序,也從另一方面降低了電機(jī)的制造成本。
無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序通常有兩種:方波驅(qū)動(dòng)時(shí)序和正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)序.設(shè)計(jì)人員根據(jù)應(yīng)用需求選擇合理的驅(qū)動(dòng)時(shí)序是非常的重要的.方波驅(qū)動(dòng)在某一時(shí)刻,三相定子中只有兩相導(dǎo)通,設(shè)計(jì)人員根據(jù)不同的霍爾位置信號(hào),選擇合理的導(dǎo)通相,即可以在定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng).方波驅(qū)動(dòng),成本低,可靠性高,產(chǎn)生上下電子開關(guān)直通的風(fēng)險(xiǎn)小,不用設(shè)置死區(qū),但產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)是正六邊形的,而非圓形,所以會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),同時(shí)電磁噪音大.正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)序又分為SPWM時(shí)序和SVPWM時(shí)序.兩者在同一時(shí)刻,三相定子都導(dǎo)通,同時(shí)都能產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng),但SVPWM的電壓利用率比SPWM高15%.圓形旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng),更加平滑, 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小,電磁噪音低.
不同廠家生產(chǎn)的無(wú)刷直流電機(jī)位置信號(hào)輸出有差別,因此,在采購(gòu)無(wú)刷直流電機(jī)的過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員要結(jié)合各個(gè)廠家提供的數(shù)據(jù),選擇合理的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序。在調(diào)試無(wú)刷直流電機(jī)時(shí)序的過(guò)程中,操作人員可以根據(jù)霍爾傳感信號(hào)的分布情況,將6N137進(jìn)行有效隔離,并用手緩慢撥動(dòng)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子,準(zhǔn)確讀取電機(jī)順時(shí)針與逆時(shí)針轉(zhuǎn)圈霍爾傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)[4]。讀取完霍爾傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)后,操作人員要根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行情況,合理調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)科學(xué)控制無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序,在保證無(wú)刷直流電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)之上,不斷提升電機(jī)的整體運(yùn)行效率。
在無(wú)刷直流電機(jī)中,霍爾傳感器位置信號(hào)主要由霍爾傳感器進(jìn)行傳遞,操作人員可以將電機(jī)內(nèi)部電路進(jìn)行有效隔離,并準(zhǔn)確連接MCU與POSIF單元,保證無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部換相得到有效控制,準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)速。當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子運(yùn)行速度較快時(shí),會(huì)降低霍爾傳感信號(hào)的準(zhǔn)確性。因此,設(shè)計(jì)人員要結(jié)合MCU的運(yùn)行情況,科學(xué)識(shí)別霍爾傳感器信號(hào),保證無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部的通電相序更加合理[5]。
除此之外,在檢測(cè)霍爾傳感器信號(hào)的過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)MCU設(shè)備運(yùn)行周期,準(zhǔn)確計(jì)算無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的位置角度。通過(guò)合理檢測(cè)霍爾傳感器信號(hào),能夠?yàn)椴僮魅藛T提供更加精確的數(shù)據(jù),更有效的控制時(shí)序,保證無(wú)刷直流電機(jī)能夠更加安全可靠的運(yùn)行。
為了保證無(wú)刷直流電機(jī)的安全運(yùn)行,能夠從全方面滿足設(shè)計(jì)要求,需要科學(xué)的選擇PWM的工作頻率.如果PWM的工作頻率太高,一方面會(huì)增加電子開關(guān)器件的開關(guān)損耗,發(fā)熱量增大,為了保證安全運(yùn)行,可能要選擇高余量的電子開關(guān),無(wú)形中增加了成本。另一方面,受MCU運(yùn)行速度的影響,不宜選擇過(guò)高的PWM頻率,否則會(huì)損失控制精度,環(huán)路控制波動(dòng)變大。由于無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,在實(shí)際操作過(guò)程中,操作人員可以根據(jù)電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況,合理調(diào)整電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行速率,進(jìn)一步提升無(wú)刷直流電機(jī)的抗干擾能力[6]。如果PWM頻率選擇太低,電機(jī)的運(yùn)行電磁噪音會(huì)增大。為了不斷減少無(wú)刷直流電機(jī)噪音,保證MCU電機(jī)控制模塊的穩(wěn)定運(yùn)行,設(shè)計(jì)人員需要選擇合理的PWM運(yùn)行頻率。在檢測(cè)PWM控制信號(hào)的過(guò)程中,操作人員要根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部三相全橋換向器的運(yùn)行情況,合理判斷PWM信號(hào)的準(zhǔn)確性,保證驅(qū)動(dòng)電路的電子開關(guān)安全運(yùn)行。
通過(guò)科學(xué)選擇PWM波頻率,能夠?yàn)椴僮魅藛T提供更加準(zhǔn)確的電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù),保證無(wú)刷直流電機(jī)能夠更加可靠的運(yùn)行。由于MCU運(yùn)行單元能夠采集大量的數(shù)據(jù),操作人員可以結(jié)合電機(jī)運(yùn)行情況,合理調(diào)整PID參數(shù),科學(xué)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行速率。一般情況下,電機(jī)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)速率不宜超過(guò)15°/s,保證電機(jī)停留在合理位置[7]。
MCU判斷系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中,由于電機(jī)的運(yùn)行速度不同,設(shè)計(jì)人員需要準(zhǔn)確判斷電機(jī)的運(yùn)行指令,準(zhǔn)確計(jì)算占空比的PWM數(shù)值,并結(jié)合控制系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況,妥善控制電機(jī)的運(yùn)行速率。無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部的跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工作當(dāng)中,要結(jié)合控制系統(tǒng)的總體運(yùn)行情況,將目標(biāo)進(jìn)行合理分解,保證無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
綜上,通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序、準(zhǔn)確檢測(cè)霍爾傳感器信號(hào)、合理選擇PWM波頻率,能夠保證無(wú)刷直流電機(jī)更加可靠的運(yùn)行,提升無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部控制系統(tǒng)的總體運(yùn)行效率。對(duì)于相關(guān)設(shè)計(jì)人員來(lái)講,在實(shí)際工作當(dāng)中,要不斷學(xué)習(xí)先進(jìn)的微控制器知識(shí),提升自身的專業(yè)技能,不斷提升無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的控制精度。
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