高速無刷直流電機在實踐教學(xué)中的應(yīng)用＊

陳少華，馬利嬌，賈欣雨

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，各學(xué)校在自動化、測控技術(shù)等專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)方面做了大量的創(chuàng)新改革，例如增加實踐課程，將實物設(shè)計納入學(xué)生成績等。提高學(xué)生動手能力，增強實踐技術(shù)是工科類專業(yè)教學(xué)改革的一個重要目的。傳統(tǒng)的教學(xué)實驗平臺已經(jīng)無法很好滿足學(xué)生自主創(chuàng)新實踐的要求，因此，建設(shè)綜合性創(chuàng)新實驗平臺，開設(shè)具有自主設(shè)計、高參與性、組織協(xié)助性較強的實驗系統(tǒng)變得非常必要。

無刷直流電機作為一種體積小、密度大、轉(zhuǎn)速高的電機，被廣泛應(yīng)用于無人機、電動汽車、家用電器等領(lǐng)域[1-2]，是工科學(xué)生就業(yè)領(lǐng)域較為常見的儀器裝置。相對于傳統(tǒng)低速無刷直流電機，高速無刷直流電機具有更高的功率密度[3]。提高電機轉(zhuǎn)子位置檢測精度是優(yōu)化電機性能的一種重要手段[4]。傳統(tǒng)的檢測轉(zhuǎn)子位置的方法是安裝位置傳感器，例如旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾傳感器等，但是安裝位置傳感器會增加電機成本，增大電機體積，降低系統(tǒng)效率。本實驗平臺采用無位置傳感器控制算法檢測電機轉(zhuǎn)子位置，實驗平臺的軟件和硬件均采用模塊化設(shè)計，減少了重新設(shè)計系統(tǒng)的工作量。實驗平臺選用德州儀器公司的TMS320F28335作為控制芯片，具有精度高、功耗低、性能佳等優(yōu)勢，是電機控制系統(tǒng)常用的控制芯片。該控制芯片提高了算法設(shè)計發(fā)揮空間，完全可以滿足高精度、大運算量的算法實現(xiàn)。利用算法檢測轉(zhuǎn)子位置信息，將位置信息作為反饋，控制功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷，使電機能夠穩(wěn)定快速啟動，精準(zhǔn)換相，并且可以減小電機體積，降低成本，應(yīng)用于教學(xué)實驗中激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深了學(xué)生對無刷直流電機控制方法的理解與應(yīng)用，教學(xué)效果良好[5-6]。

1 實驗平臺硬件

本文所設(shè)計的實驗平臺主要包括高速無刷直流電機、電源電路、控制電路、功率逆變電路、無位置檢測電路等部分?？蓪崿F(xiàn)對無刷直流電機無位置傳感器的啟動控制、正反轉(zhuǎn)控制、換相誤差補償控制等。實驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。為降低高壓電路的操作風(fēng)險，將直流電源電壓限制在48 V，電流限制在5 A，功率驅(qū)動電路的輸出信號線采用雙絞屏蔽線，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖1 實驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 電源電路

實驗平臺的供電由控制部分供電和功率部分供電組成，控制電主要為控制電路中DSP28335 芯片、數(shù)據(jù)采集芯片、各級比較放大器、速度控制等部分供電?？刂瓢逯胁捎肨PS767D301 實現(xiàn)低電平轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)1.5～5.5 V 的電壓輸出。功率電部分提供功率電路的較大電流驅(qū)動，由熔斷器、電阻、電解電容、肖特基二極管、場效應(yīng)管、電容、EMⅠ濾波器、電源轉(zhuǎn)換模塊等部分組成?？傊?，實驗平臺電壓轉(zhuǎn)換電路將24 V 直流電分別轉(zhuǎn)化為+12 V、+15 V 和+5 V，從而分別為控制板、母板、驅(qū)動板上的芯片和器件供電。

1.2 控制電路

控制電路部分，由控制芯片DSP28335、晶振、復(fù)位電路、信號采集電路等組成。TⅠ公司生產(chǎn)的TMS320C28335 芯片具有150 MHz 的高速處理能力，可實現(xiàn)32 位浮點運算，自身帶有18 路PWM 輸出和12 位16 通道ADC，具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲量大、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點，特別適用于高速電機控制系統(tǒng)。

1.3 功率逆變電路

功率逆變器的主體由6 個功率開關(guān)管及其驅(qū)動電路組成，通過PWM 信號輸入控制功率開關(guān)管按照一定的邏輯進行開通和關(guān)斷。由控制器根據(jù)控制邏輯輸出6 路PWM 高頻驅(qū)動信號，經(jīng)施密特觸發(fā)器74HC14銳化驅(qū)動信號后，再經(jīng)觸發(fā)器優(yōu)化調(diào)節(jié)后輸出6 路信號，這6 路信號經(jīng)增強驅(qū)動電路提高驅(qū)動能力后，分別進入6 個TLP250 隔離光耦器件，光耦器件可以起到光電隔離和增強電路驅(qū)動能力的作用，最后光耦輸出用以驅(qū)動逆變橋功率模塊的開通和關(guān)斷，實現(xiàn)電機旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機需要反方向旋轉(zhuǎn)時，可通過調(diào)用不同的換相表實現(xiàn)反方向旋轉(zhuǎn)控制。另外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過流、欠壓等狀態(tài)時，可通過剎車電阻讓電機快速制動。

1.4 無位置檢測電路

無位置檢測電路由低通濾波電路、功率放大電路和隔離電路組成，電機反電動勢信號可直接從電機三相端獲得，電機輸入的三相位置信號先經(jīng)過一階低通濾波電路進行濾波。一階低通濾波電路的引入將導(dǎo)致位置檢測信號出現(xiàn)延時，為了在程序中進行相位誤差補充，將離線采集的位置誤差與轉(zhuǎn)速的關(guān)系記錄在數(shù)據(jù)表格中，當(dāng)采用不同的低通濾波電路時，直接調(diào)用不同的補償角度數(shù)據(jù)表，靈活快速地?fù)Q相誤差補償。采用LM393 功率放大器放大功率進入HCPL2630 隔離光耦后，輸出包含電機轉(zhuǎn)子位置信息的HALLA、HALLB、HALLC 信號。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號設(shè)置電機PWM 驅(qū)動信號。將電機轉(zhuǎn)子1 個電周期分為6 個工作作態(tài)，每個工作狀態(tài)為60°，當(dāng)檢測到換相信號上升沿時，需根據(jù)不同的低通濾波器設(shè)計值選擇不同的補償角度，實現(xiàn)高精度實時換相誤差補償。

2 實驗流程設(shè)計

利用上述模塊化電路搭建高速無刷直流電機無位置傳感器控制實驗平臺，實驗平臺由一臺高速200 W無刷直流電機、控制電路板、功率逆變電路板、無位置檢測電路板、開關(guān)電源、仿真器、PC 機及示波器組成。該實驗平臺搭建完成之后，可以完成不同截止頻率下的電機啟動實驗和不同轉(zhuǎn)速下電機換相誤差及補償實驗。實驗流程如圖2 所示。

圖2 實驗流程圖

3 實驗及結(jié)果分析

無位置檢測電路主要由低通濾波器、功率放大電路和隔離電路組成，低通濾波器的主要作用是通低頻，阻高頻，選擇合適的低通濾波器既可以濾除高頻干擾又可以防止相位延遲太大導(dǎo)致啟動失敗，因此低通濾波器截止頻率的選取對于電機換相的準(zhǔn)確性影響很大。本實驗平臺可以通過選取不同的電容電阻改變截止頻率，觀察不同截止頻率對延遲角度的影響，從而選取合適的截止頻率的低通濾波器。不同電路參數(shù)配置不同濾波器，讓學(xué)生們動手選取可以加深學(xué)生們對低通濾波器對于電機啟動的影響的理解。截止頻率為47.74 Hz 時，電機在無位置傳感器模式下的啟動波形如圖3 所示。由圖3 可知，在無位置傳感器啟動階段，由于換相誤差導(dǎo)致啟動電流較大，當(dāng)啟動過程結(jié)束后，電機換相準(zhǔn)確，相電流較小。此實驗環(huán)節(jié)，學(xué)生可先仿真不同截止頻率下滯后角度與截止頻率的關(guān)系，再進行實驗驗證，很好地鍛煉了學(xué)生的仿真與實驗?zāi)芰Α?/p>

圖3 無位置傳感器模式下啟動波形

由于無位置電路板低通濾波器的引入，將導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)子位置檢測出現(xiàn)相位滯后，因此需要進行電機相位補償。根據(jù)觀察換相前后電機相電流波形的變化可以判斷出電機換相超前或滯后，進行相應(yīng)的補償。實驗結(jié)果如圖4～圖6 所示。

圖4 換相超前時相電壓與相電流波形

圖6 換相準(zhǔn)確時相電壓與相電流波形

由圖4 中的波形可以看出，當(dāng)換相超前時，相電壓和相電流波形出現(xiàn)畸變，影響電機效率。由圖5 中的波形可以看出，當(dāng)換相超前時，相電壓和相電流波形同樣會出現(xiàn)畸變，電流波形畸變位置與超前時相反；當(dāng)換相滯后時，同樣降低了電機運行效率，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致電機換相失步。由圖6 中波形的可以看出，換相準(zhǔn)確時，電壓和電流波形在正負(fù)半軸對稱，電機運行效率較高。

圖5 換相滯后時相電壓與相電流波形

4 結(jié)語

針對自動化、測控技術(shù)專業(yè)的電機控制課程，分析了高速無刷直流電機控制實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。分析了不同截止頻率對轉(zhuǎn)子位置檢測的影響，通過實驗驗證了電機無位置啟動時換相誤差補償控制。整套系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)清晰、成本較低。在教學(xué)實驗中，可利用本套實驗系統(tǒng)開展課程實踐設(shè)計、創(chuàng)新思維訓(xùn)練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等多層次項目，達到應(yīng)用型專業(yè)教學(xué)實踐目的。