北京永光高特微電機有限公司
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小型無刷直流電動機無位置傳感器控制的設計

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:332

   摘要:介紹一種用于人工心臟軸流式血泵的無位置傳感器無刷直流電動機閉環調速控制系統的電路設計。利用自起動方式實現電機起動,當電機達到額定轉速時進入閉環控制系統,利用反電勢邏輯積分法,實現無刷直流電動機無位置傳感器控制。

   在控制無刷直流電動機時,采用霍爾元件檢測位置信號進行控制,安裝位置傳感器后,電機體積增大,成本增高,連線太多,控制信號易被干擾,傳感器的任何誤差會導致電樞電流增大和電機效率的降低,從而加大電機發熱,并且對電機生產制造工藝要求高等,因此,本設計采用不安裝傳感器的泵機一體化的軸流式血泵。

1反電勢檢測控制策略

   無刷直流電動機相繞組的反電勢是轉子位置的函數。反電勢的過零時刻與主開關的通斷時刻存在邏輯關系,將這種關系用于三相主開關的邏輯控制信號,這就是反電勢法實現無刷直流電動機無位置傳感器控制的基本思路。電機開始運行時,采用開環控制方式,由自起動部分通過電子開關輸入譯碼電路,譯碼后控制逆變電路驅動電機旋轉,當電機轉速達到額定值時,電子開關切換到反電勢控制方式,由反電勢信號經過邏輯處理后控制電機運行,進入閉環控制狀態,在電機運行中,當出現故障時由保護電路進行切除,保護電機正常運行。無刷直流電動機主電路原理框圖如圖1所示。

        圖l  無刷直流電動機主電路框圖

2自起動部分

2.1轉子定位

   為保證電機正常起動,首先要確定轉子當前位置。在小型輕載條件下,對于有梯形波反電勢的永磁無刷直流電動機來說,一般采用磁制動式轉子定位方式。系統上電開始時,任給一組觸發脈沖,在氣隙中形成一個幅值恒定、方向不變的磁場,只要保證其幅值足夠大,那么這一磁通就能在一定時間內將電機轉子強行定位于這個方向上,這樣就可以確定電機轉子的初始位置,由于靜止時轉子位置的不確定性,如定位前恰好處于定子繞組合成磁通與轉子d軸夾角為180°處,此時電機轉子不會旋轉,定位失敗。為此可采取在第一次定位的基礎上,接著導通下一個扇區,這樣第二次定位一定正確。

2.2電機的自起動電路

  圖2單片機電路

升頻和三分頻電路組成自起動電路(如圖2所示)。當單片機輸入Iin=O,自起動部分產生頻率由低到高連續變化,相位相差三分之一周期的三相方波脈沖信號,使電機定子繞組產生逐步加速的旋轉磁場,帶動電機由靜止開始旋轉達到額定轉速。達到額定轉速時自啟動初始化,為下一次自啟動作好準備。在額定運行狀況下當電機負載突然變化引起轉速下降時,電路自動切換到自啟動狀態,控制電機恢復正常運行,因此,自啟動信號設計成頻率由低到高再由高到低,以適應運行狀況的變化。自起動程序流程如圖3所示。

 圖3 單片機功能(1)程序流程圖

3電子開關電路

電子開關切換控制電路(如圖4所示)由速度檢測芯片:MC33039監視電機轉速并產生正比于電機轉速的信號。該信號經過F/V轉換后,與給定電壓進行比較。當轉速較低時,比較電路輸出低電平到電子開關控制端與Iin,由自起動部分控制電機運行;當達到額定轉速時,切換到反電勢控制,同時將高電平信號輸入單片機,使其清零,為下一次自起動做好準備。

   圖4電子開關切換控制電路

4反電勢邏輯控制電路

4.1反電勢邏輯電平積分法的原理

電機正常運行時反電勢波形如圖5所示。由圖中反電勢ea、eb、ec與判別轉子磁場位置控制信號SA,SB,Sc可見,當B相反電勢正向過零后30°電角度時(t5時刻),B相邏輯控制信號SB導通;B相反電勢負相過零后30°電角度時(t11時刻),B相邏輯控制信號SB關斷。A相和C相控制信號與B相判別方式類似。利用過零比較器將檢測的反電勢信號ea、eb、ec分別轉化為邏輯電平控制信號Ga、Gb、Gc,它們的正負電平分別對應反電勢的正負。如圖5中t1、t3、t5、t7等為三相換流時刻,t2、t4為反電勢過零時刻。由波形相位可見,B相換流時刻tt與C相、B相反電勢過零時刻t2、t4滿足 ,在A相120°導通期,Gb為下跳沿時對一Gc積分,Gb為上升沿時對Gc積分,當兩者積分速度相同,如果Ga積分值等于一Gc積分值的三分之一時,即 ,此時t5對應B相反電勢正相過零后30°電角度,這時邏輯控制信號SB導通。同理,當t11時,SB截止。因此可以用反電勢邏輯電平積分關系判別轉子相位,實現電機邏輯電路的控制。

   圖5反電勢邏輯電平積分法原理圖

4.2反電勢過零點檢測電路

如圖6所示,以A相為例,電機端電壓Va經過分壓電路后送入濾波器,濾波后的信號Va和Vn比較后得到方波,該方波再經過光耦和施密特整形電路后得到信號Ga,其上下沿即為反電勢過零點時刻。圖6中Gb、Gc為另外兩相信號,產生原理與Ga相同。

 圖6反電勢過零點檢測電路

4.3反電勢邏輯積分

如圖7所示,將端電壓檢測信號Ga、Gb、Gc送人單片機電路,按照反電勢邏輯積分原理對輸入信號進行處理,得到MC33035正確的位置檢測信號SA、SB、Sc。

    圖7反電勢邏輯積分部分程序流程圖

5譯碼與逆變電路

 圖8譯碼與逆變電路

如圖8所示,采用MC33035對電機位置檢測信號進行譯碼,產生驅動逆變橋信號,MC33035具有較強的故障檢測處理報警能力、無效位置檢測信號、過熱等保護功能。

6實驗及結論

MC33035輸出控制波形如圖9所示。

 

 圖9 MC33035輸出控制波形

電機一相電流波形,如圖10所示。

    圖10電機一相電流波形

電機帶負載起動時轉速波形,如圖11所示。

   圖ll  電機帶負載起動時轉速波形

應用無位置傳感器電路控制軸流式血泵實驗取得了良好的效果,電路驅動控制波形理想,電機在運行時端電壓波形和負載試驗符合理論分析,因此,反電勢法不但可以準確控制電機運行,而且有效地減小了電機的體積?;谝陨蟽烖c,無位置傳感器技術在控制微小型電機應用中將會更加廣闊。

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