无传感器无刷直流电机变频调速系统设计与实现

1、第12卷 第6期2008年11月电 机 与 控 制 学 报ELE CTR IC M ACH I NE S AND CONTRO LVo l 12N o 6Nov .2008无传感器无刷直流电机变频调速系统设计与实现刘长征1, 叶瑰昀2, 陈德运1, 孙 尧3(1.哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院,黑龙江哈尔滨150080;2.黑龙江科技学院电信学院,黑龙江哈尔滨150027;3.哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001摘 要:为了获取无传感器无刷直流电动机转子准确位置信号,采用反电势法来估算电机转子位置。针对电机起动时反电势比较小,难以通过反电势法来检测转子位置的情况,提出预定位法

2、和变频升压相结合的电机软起动方法,设计了一套完善的速度、电流的双闭环控制无传感器无刷直流电动机调速系统。详细讨论了在去掉位置传感器的情况下无刷直流电机如何换相以及速度的提取问题,并且进行了相应的系统硬件、软件设计。实验结果验证了所设计系统的调速性能及位置检测信号的准确性。关键词:无刷直流电动机;反电动势过零检测;软起动;双闭环控制中图分类号:TM 301.2文献标识码:A文章编号:1007-449X (200806-0729-05Design and realizati on of variable frequency t uni ng velocitysyste m of sensorles

3、s BLDC ML I U Chang -zheng 1, YE Gu-i yun 2, CHEN D e -yun 1, S UN Y ao3(1.Co llege of Co m puter Science and T echno l ogy ,H arbi n U niversity of Sc i ence and T echno logy ,H a rbin 150080,Ch i na ;2.Co llege of E lectrical and In f o r m ati on Eng i neer i ng,H eil ong ji ang Insti tute o f Sc

4、 ience and T echno l ogy ,H arb i n150027,Chi na ;3.Co llege o f Au t om ati on ,H arb i n Eng ineer i ng U n i ve rsity ,H arbi n 150001,Ch i naAbst ract :To acqu ire the accurate positi o n -si g nal of t h e rotor of the Sensorless B r ush less DC M otor ,firs,t the Back -E M F is adopted .Second

5、 ,consideri n g that the BE MF is very 1ittle i n the process ofm otor star-t i n g ,the Back -E MF m ethod is exp ired ,co m bined w it h t h e rotor pre -setting m ethod and the variable -fre -quency i n crease -vo ltage m ethod .The sof-t startm e t h od o fm otor is proposed i n the paper .Las,t

6、 the per -fect double closed l o ops control syste m,w ith velocity and current is designed .The current co mm utation and m otor speed w ithdra w prob le m w ithout t h e position sensor is discussed in deta i,l and desi g ns the cor -respond i n g hardw are and so ft w are c ircu it is designed .T

7、he experi m ental resu lts show the va li d ity o f theti m i n g syste m and the verac ity o f the detecti v e positi o n-si g na.lK ey words :br ushless DC motors ;bac k -E MF zero -crossi n g detecti o n ;soft star;t double c l o sed loops contr o l收稿日期:2008-05-22基金项目:国家自然科学基金(60672035;教育部博士点基金(2

8、0050217021;黑龙江省教育厅科学技术研究项目(11531326作者简介:刘长征(1969-,男,博士,教授,主要研究方向为控制理论与控制工程;叶瑰昀(1966-,女,硕士,副教授,主要研究方向为电力电子与传动技术;陈德运(1962-,男,博士,教授,主要研究方向为嵌入式控制技术;孙 尧(1963-,男,博士,教授,主要研究方向为控制理论与控制工程。1 引 言无刷直流电动机(BLDC M 以其优质的性能,被广泛应用于各个领域。但传统的无刷直流电机都以霍尔元件或其它位置检测元件作为转子位置传感器,这给电机的可靠性以及制造工艺要求等带来不利的影响1。为了实现对无位置传感器无刷直流电机的控制,

9、必须得到转子位置信息。本文设计了一种无位置传感器无刷直流电动机调速系统,采用反电动势法估算电机转子位置,并设计了过零检测电路。在详细的分析了 反电势法 无刷直流电动机控制中常用的 转子预定位 起动技术的基础上,结合 变频升压 的电机起动方式,利用80C196M C单片机实现了电机的开环软起动。2 无刷直流电动机系统工作原理无刷直流电动机,就其基本结构而言,可以认为是由电子开关线路、永磁同步电动机和位置传感器三者组成的 无刷直流电机系统 。无刷直流电动机通常通过转子位置传感器获取转子位置信号,实现换相;通过转速传感器获取转速反馈信号,实现转速环的闭环控制2。无刷直流电动机的无传感器控制是指取消传

10、统的转子位置传感器和转速传感器,而通过测取电机的某些物理量间接地得到转子位置信号,用此信号实现换相,并进一步得到转速的反馈值,从而实现无传感器闭环控制。目前无刷直流电动机无传感器控制较为典型的控制方法有反电动势法、定子三次谐波法、电流通路监视法、涡流效应法、磁通估计法等。其中反电势法是一种最简单最实用的转子位置检测方法。由于无刷直流电动机的绕组反电势波形直接反映转子的位置,因此可以利用绕组反电势来获取转子的位置信息。对于采用两相导通三相六拍运行方式的无刷直流电动机而言,三相绕组中在任意时刻总有一相处于断开状态,检测断开相的反电势信号,当其过零点时,转子直轴与该相绕组轴线重合,再经过30 电角度

11、依照开通顺序进行换相。故只要检测到各相反电势的过零点,即可获知转子的若干个关键位置,这就是反电势法的基本原理3。反电动势波形与逆变器功率管触发顺序逻辑关系如图1所示。图1 反电势波形与逆变器功率管触发顺序逻辑关系F i g.1 Sequential logic re lati on sh i p of BE M F w ave andpower i nverter trigger从图中可以看出 t=30 电角度为A相反电势过零时刻,控制电路检测到这一时刻;延时30 电角度,到60 电角度时切换到A相的反向开关导通;A 相导通120 电角度后,到180 电角度时关断A相,切换B相导通。依次类推,

12、就可以实现BLDC M的连续运转,并且满足 最佳换相逻辑 4。3 系统的硬件电路设计本文设计的无传感器无刷直流电动机的变频调速系统硬件电路主要是由80C196M C单片机控制器、功率主电路和控制电路组成。其结构图如图2所示,功率主电路包括开关主电路和驱动保护电路。驱动保护电路包括了功率驱动电路和保护电路;控制电路主要包括位置检测电路、转速给定电路和起停电路。速度显示电路是用以显示电动机的实时转速,由于篇幅有限这里仅介绍本系统的主要电路。图2 变频调速系统总体硬件结构框图Fig.2 The arch itec ture of the system3 1 位置检测电路的实现位置检测电路主要提供无刷

13、直流电动机转子的位置信息,为电机的正确换相以及速度的提取提供依据。反电势过零检测电路如图3所示。电机端电压信号首先经过分压器,再通过低通滤波器以消除高频噪声的干扰,接着经过隔直电容,主要是以消除三相电压不对称所引起的过零点漂移,然后再通过电压滞回过零比较器,比较器的翻转点对应着电机的换相时刻,最后经过信号调理,送到80C196MC单片机的相应端口。考虑到简单电压比较器结构简单、灵敏性高,但抗干扰性能差,也就是说如果输入信号因干扰在阈值附近变化,则过零比较器的输出电压就会反复地从一个电平跳变到另一个电平,从而造成730电 机 与 控 制 学 报 第12卷反电势过零点检测不准确,因此,设计了如图3

14、所示的以L M339组成的滞回比较器。精密电压比较器LM339为集电极开路输出,可以直接与TTL和M OS电路接口,并且输出端的电位可以灵活方便的选用。电压滞回比较器输出的信号为 15V的方波信号,而80C196M C的高速口CAPx的输入电压范围为03 3V,因此,可以通过光电耦合整形后将信号送入高速口CAPx进行检测,其中D1 (3 3V的稳压二极管起到保护80C196M C的I/O 的作用。图3 反电势过零检测电路F i g.3 Detecting c ircu it of BEM F-Z ero-Crossi n g3 2 功率主电路的实现1开关主电路系统的开关主电路由整流电路、滤波电

15、路、缓冲电路、限流启动电路和逆变电路构成,其中,整流桥为三相半桥结构,将三相380V交流电整成约537V 的直流电。通过两个大电容C1和C2实现直流电源的低通滤波功能,并与绕组感性负载交换无功功率。R1与R2起均压作用并保护电容C1和C2。由R S、C S、D S构成RDC缓冲电路,C2可有效减少开关管承受的尖峰电压。限流启动电路用于保护整流桥在系统上电瞬间不受大电流冲击。逆变电路由功率开关管等组成,是开关电路的核心部分,且采用单极性P WM控制技术。功率开关管均采用I G BT,在每个功率开关管上都串有反并接的快速二极管,起保护功率开关管和功率开关管在关断过程续流的作用。2功率驱动电路美国国

16、际整流器公司生产的驱动芯片I R2135是专为高电压、高速度的功率MOSFET和I GBT驱动设计的,使得MOSFET和I GBT的驱动电路设计大为简化又具有快速完整的保护功能,因而它的应用可极大的提高控制系统的可靠性并极大缩小控制板的尺寸。该芯片内部集成了互相独立的三组半桥驱动电路,可对上下桥臂提供死区时间,特别适合于三相电源变换等方面的应用。芯片的输入信号与5V COM S或LS TTL电路输出信号兼容,因此可直接驱动M OSFET或I G BT,而且其内部集成了独立的运算放大器,可通过外部桥臂电阻取样电流构成模拟反馈输入;具有故障电流保护功能和欠电压保护功能,可关闭6个输出通道,同时芯片

17、能提供具有锁存的故障信号输出,此故障信号可由外部信号清除。因此设计采用I R2135作为驱动无刷直流电机的功率开关元件。3保护电路在变频调速系统的主电路中,由于电力电子器件频繁工作在开通与关断中,逆变器工作在一个电流电压脉动比较大的环境下,为了保护这些电力电子器件,设计了包括泵升回路、过流保护、欠压保护、过压保护电路。泵升回路和过压、欠压保护电路共用一个采样点。对于电动机本身来说,还应考虑其本身的带负载能力,因此还设计了过载保护,一旦电动机超负载运行,CP U即可响应中断程序,立即封锁6路P WM波。4 系统软件设计根据控制系统所要实现的功能,结合模块化的软件设计思想,将系统软件分为4部分:初

18、始化模块、主程序模块、功能服务子程序、中断服务子程序。主程序是软件系统的总控制器,除了完成电机开环启动外,还要负责各模块间资源的任务调度,主程序流程图和80C196M C数据采集程序流程图,如图4所示。图4 部分软件框图F i g.4 Th e soft ware block d iagra m初始化模块主要完成系统时钟、I/O端口、系统中断、系统事件管理器的各个控制寄存器及中断的设置,以及软件中各变量初始化和辅助寄存器的设置等功能;功能服务子程序主要完成定子绕组的换相以及电机实时转速的提取、计算;中断服务子程序分为定时器中断服务子程序和ADC转换完成中断服务子程序,定时器中断服务子程序的主要

19、作用是启动ADC转换以完成对电机给定速度以及主回路731第6期无传感器无刷直流电机变频调速系统设计与实现反馈电流的测量,ADC转换完成中断子程序主要完成速度调节、电流调节以及实时转速显示。4 1 控制器设计为了兼顾调速系统的静态性能和动态性能,本系统采用电流、速度双闭环调速控制,如图5所示。两个调节器均采用比例积分(PI控制,由于PI调节器是依靠软件实现的,因此要求两个调节器的输出都是带限幅的。其中,速度环的实时转速反馈由对位置检测电路的输出矩形波运用M/T测速法算出,电流反馈值通过软件程序在P WM有效期内对 母线电流进行定时采样获得。图5 双闭环调速系统原理框图Fig.5 B l ock

20、d i agra m of the doub le closed loop s ti m ing4 2 起动技术对于采用反电动势换相的无刷直流电机来说,电机静止时电动势为零,没有换相信号,电机不能启动,因此反电势法无传感器无刷直流电动机控制的另一个关键环节就是电动机起动程序的设计5。本系统采用的起动方式为预定位方式。预定位方式起动分为两个步骤。第一步为强迫预定位,即在起动开始时给电机一个确定的通电状态,电机定子合成磁势在空间上有一个确定方向,把转子磁极拖到与定子合成磁势轴线重合的位置,实现预定位。第二步为起动,改变电动机的通电状态,使定子合成磁势在空间按一定角度步进移动一位置,在电磁转矩的作用

21、下拖动转子磁极向定子磁势轴线方向移动。随着转速升高电动势也随之增加,当电动势上升到可检测值时投入反电势过零信号检测及移相时间控制程序,使电机切换到无刷电机运行方式,从而完成电机的起动。但采用预定位方式起动电机,在第一步预定位完成后,何时切换到反电动势换相工作状态,换句话说也就是切换瞬间转速 r0要足够大,保证能够有效地检测到反电势信号,是电机起动过程中的一个难点。为了解决这个问题,本控制系统中,在转子初始定位完成后,采取升频升压的起动方式,即按照电机预定转向的换相顺序,程序控制P WM波占空比逐渐增大给相应绕组馈电以提高电压,同时为了保持换相与转子的同步,使电机的换相频率随着转速的提高而增大,

22、这样就可以进行有效的换相控制。4 3 速度的提取可以根据转子位置信号变化的时间间隔来计算电机转速,转速计算公式为n=p t。(1式中:p为电机极对数; t为电机转子位置变化;电角度所用的时间。由于反电势检测电路的输出信号是三相互差120 ,占空比为50%的脉冲信号。这样,它们在每个机械转中共有6个上升或下降沿,正好对应着6个换相时刻,只要将80C196MC的捕获单元跳变触发方式设置成双沿触发,就可以获得这6个换相时刻。转子每转过一周,电机就有6次换相,这样只要测得两次换相的时间间隔,根据上式就可以求出电机的转速为n=60p t。(2式中, t为电机两次换相的时间间隔,可以通过读取定时器T1的数

23、值求得。5 实验结果及分析实验采用1台三相Y型无刷直流电机与80C196MC单片机控制器及I GBT P WM逆变器共同构成变频调速系统。在硬件设计的基础上完成了软件的设计,并在此系统上对设计方案进行了实验研究,以证明其可行性。系统中使用的无刷直流电动机的参数:电机端电压最大值为60V,额定转速为5000r/m in,转矩常数为0 08N m/A,电流最大值为2A,电压常数为8 4 10-3V/r m in-1,电流峰值为5 9A,定子电阻(每相为2 8 ,定子相数为3,定子电感(每相为8 6mH,转子极对数为2,转动惯量为7.5 10-6kg m2。图6是实验系统在各种条件运行下的部分实验结

24、果,波形是由T ektronix公司的TDS-220型示波器采集记录的。各图中的横轴为时间轴,纵轴为测量量对应的电压幅值。在实验中,各个测量量是由D/A观测口输出的, 2 5V分别对应标幺值的 100%。其中标幺值的 100%对应的电流为 6 9A,转速为 2000r/m in。无刷直流电动机控制系统采用双闭环控制。内732电 机 与 控 制 学 报 第12卷环采用电流环,每0 2m s进行一次电流采样;外环是转速环,每1m s进行一次转速采样。图6(a为1000r/m in时的转速电流起动波形,图6(b为速度给定及实际转速跟随波形,从以上两组波形可以看出系统具有良好的调速性能。图6(c为端电压和过零检测信号,可以看出系统能够正确获取过零信号。图6(d是将电机的实际位置信号取出,与对应相的换相情况比较,可以看出本系统的换相点非常准确,基本达到了有位置传感器控制的情况。但对应相位置信号前、后沿略有波动,可能由电机三相绕组的不完全对称或电枢反应等原因引起的转子位置检测误差造成,这方面还需要进一 步研究。图6 实验结果Fig.6 E xper i m en t results6 结 语以80C196M C单片机为控制核心,以反电动势过零检测法检测电动机转子位置信息