北京永光高特微電機有限公司
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無位置傳感器無刷直流電動機起動的設計與實現

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:471

   摘要:在分析永磁同步電動機變頻起動過程和無刷直流電動機定、轉子磁勢的相位關系的基礎上,詳細設計了硬件和軟件,實現了無位置傳感器無刷直流電動機外同步起動以及向自同步運行切換。

1引  言

   無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)因具有體積小、重量輕、維護方便、高效節能以及易于控制等一系列優點,已廣泛應用于辦公自動化設備、計算機外圍設備、家用電器和儀器儀表等領域。電機大多運行于三相六狀態方式下,無位置傳感器BLDCM通常采用反電勢過零檢測電機轉子位置處于六狀態中哪一個,從而控制三相全橋主電路功率管的通斷狀態。而反電勢檢測轉子位置需電機達到一定轉速以上才能夠可靠輸出信號,因而電機的起動成為一難點。起動可由全硬件或軟件實現,全硬件設計結構復雜、調試不便。而對于基于單片機為核心的控制系統,電機的起動可由軟件來完成,使得控制器結構緊湊、調試方便。本文在單片機ADuC812的基礎上,設計了硬件和軟件,實現了無位置傳感器BLD—CM外同步起動和自同步運行。

2系統硬件設計    

   系統采用單片機ADuC812為控制核心的PWM脈寬閉環(數字PI)調速方式。系統主體結構框圖如圖1所示。

    圖1系統主體結構框圖

   PWM發生器采用脈沖調制器SG3525A。功率電路是典型三相全橋電路,電機星形接法。經過單片機軟件相位補償的電機轉子位置信號PA、PB和Pc以及脈寬調制信號、控制信號邏輯解碼(GAL片邏輯編程)后生成六只MOSFET的驅動前級信號。電機運行以“兩相導通三相六狀態”方式運行。

2.1 ADuC812

   單片機ADlJC812是Analog Devices公司產品。其主要特性包括200 kHz采樣8通道、12位A/D、D/A轉換器;8k Flash/EE程序存儲器,兼容MS一51指令集。還有一大優點是軟件調試時不需要仿真機,全軟件仿真。

2.2轉子位置檢測

   轉子位置檢測電路目前應用最多的有兩種,一種是利用電機各相瞬態電壓和電流方程,實時計算轉子的位置,軟件計算復雜;另一種是我們實際采用的反電勢過零檢測法。該方法簡單可靠,但系統必須增加起動電路。本論文主要闡述一種軟件實現無位置傳感器BLDCM起動的方法。

2.3邏輯解碼、功率驅動及功率電路

   為簡化電路,系統邏輯解碼電路由可編程邏輯電路芯片GALl6V8完成,而不采用邏輯門電路合成。如表l所示。也就是要實現無刷直流電動機三相六狀態運行。主要通過轉子位置信號PAPB和

Pc合成六只功率管的驅動信號。邏輯編排如表1

所示:

表l正反轉邏輯編排(X表示全關)

   圖2為電機定子集中繞組示圖。當功率管T1T6導通時,電流從4點流入,從X點流出,再從y點流入,從B點流出。因而此狀態下,定子磁勢從Z指向C。T1T6導通時,定子磁勢方向為ZCT2T1導通時,定子方向為BY其余四種狀態如圖2所示。

   圖2  電機定子集中繞組示意圖

   功率驅動電路采用IR公司的三相全橋功率驅 動芯片IR2130。單片可驅動全橋六只MOSFET。因而集成度高、外圍元件少、簡單可靠。

 3系統軟件設計

 3.1主程序

   在主程序中主要完成的內容有軟件參數初始化、電機初始定位、電機外同步變頻起動、外同步起動向內同步閉環運行切換、顯示電機實時轉速、電機正反轉控制、系統過流顯示及電機停機檢測等,主程序流程如圖3所示。下面分別對電機定位、外同步變頻起動、外同步起動向內同步閉環運行切換程序設計加以說明。

 圖3主程序流程圖

 3.2電機轉子定位、外同步方波變頻起動與切換程序設計

   對于本系統無位置傳感器BLDCM,電機要正常 運轉,需要反電勢檢測電路輸出的轉子磁極的位置信號,而在電機靜止時,定子繞組上沒有反電勢感應信號輸出,因而需要外加起動電路或軟件實現電機起動。我們采用外同步方波變頻起動技術。由于無位置傳感器BLDCM從結構上講,也可以說是永磁式同步電動機,可以按他控式同步電動機的運行狀態從靜止開始加速,直至轉速足夠大,再切換至無刷直流電動機三相六狀態運行狀態。

   在電機由靜止起動中,反電勢檢測電路輸出信號HAH和Hc無效,現可以人為地發出一系列同步信號PA、PB和Pc,這三路同步信號與三路轉子位置信號是一一對應的。與轉子位置信號類似,三路同步信號與.PWM斬波信號、開機信號及保護信號邏輯合成后輸出功率開關管(MOSFET)的六路柵極驅動信號。如果先將同步信號某種組合狀態保持一

 段時間,再按序改變其組合狀態并逐步提高頻率,那么只要外施電壓合適,就可以先將電機轉子定位到某一預知位置,再按他控式同步電動機由靜止開始加速。當轉速足夠大時,反電勢檢測信號輸出有效,從外同步切換至內同步速度閉環運轉狀態,這個過程包括轉子定位、方波變頻加速和運行切換三個部分。

 3.2.1電機轉子定位

   電機轉子靜止時的初始位置決定了逆變器第一次應觸發哪兩個功率開關管。與其用很復雜的方法檢測轉子的初始位置,不如先把逆變器的某兩只功率管導通(六狀態之一),并控制PWM占空比,轉子磁勢就會和定子磁勢重合,這個過程稱之為轉子定位。

3.2.2外同步方波變頻起動與切換

   外同步方波變頻起動時,按預定方向第一個逆變狀態的定子磁勢應超前定位后轉子磁勢120°電角度,這是因為無刷直流電動機運行中每一個狀態,轉子磁勢總是從滯后定子磁勢120°電角度運行到滯后60°電角度后進人下一狀態。加速時,按表1改變三路外同步信號的組合狀態,并且各組合狀態所保持的時間逐漸縮短,同時通過PWM控制逐漸

提高外施電壓,那么在電機不失步的前提下轉子轉速也逐漸提高。外同步變頻起動程序由定時器T2中斷服務完成,T2可用于32定時、計數,也可用于16位自動重裝模式(當T2低16位計數溢出時,產生中斷標志,并將高16位值寫人低16位,高16位保持,并可由軟件隨時更改高16位的值)。在本軟件設計中,T2工作于16位定時自動重裝模式。設

計思路是模擬無刷直流電動機三路轉子傳感器信號,如圖4所示。三路信號互差120°,占空比為50%的方波信號??梢钥闯雒扛?0°肯定有一個信號翻轉,因而中斷定時60°電度角。依此設計T2中斷服務程序流程如圖5所示。

   圖4 BLDCM轉子信號圖(正轉)

 圖5外同步方波變頻起動程序流程圖

   在硬件設計中,從單片機ADuC812的端口P2.4、P2.5及P2.6發出外同步信號PA、PB和Pc,頻率從6.9 Hz開始逐步上升至25 Hz,相對應電機(一對極)的轉速應從41 8 r/min開始逐步上升至l 500 r/min,而后切換到自同步閉環狀態。

   外同步信號PA、PB和Pc的初始值(六狀態之一)選取應和轉子定位位置一并考慮。初始值及寄存器Ro、R1和R2選取如表2所示。

表2初始值及寄存器R0、R1和R2選取表

   位置信號P、PB和Pc這三個信號是每隔60°電度角只有其中一個發生變化,即從高電平變為低電平,或相反。因而現使用一個定時器T:即可實現從單片機端口發出符合電機可靠起動要求的位置信號。T2的定時時間設定為位置信號周期的1/6(60°電度角)。T2設為16位自動重裝定時器,定時時間設定為從AA00H到E800H(單片機選用12 MHz晶振,現對應T2溢出頻率從1.15 Hz到4.16 Hz,那么發出位置信號的頻率從6.9 Hz到25 Hz),定時器每中斷一次,定時器T2的高16位的高8位加1,當定時時間從A.A00H加到:E800H時,定時器初值保持E800H,此時電機的轉速應是l 500 r/min。由于電機是逐步外同步變頻加速,為了保證電機穩步起動并達到預定轉速,斬波信號PWM也應逐步加大。當電機達指定速度后,反電勢檢測電路檢測到可靠的位置信號,此時就可以進行切換。在此段程序設

計中,模擬符合要求的外同步信號PA、PB和Pc是關鍵問題所在。

4結  語

   本文的設計內容在九五科技部攻關項目無位置傳感器無刷直流電動機系統研制中已得到應用。針對不同的電機,對定時時間應有相應調整,在保證電機外同步可靠起動的前提下,提高電機起動速度。同時原定在提高外同步信號頻率的同時,也調整PWM的占空比,使得電機外施電壓也逐步提高,但在實際調試中,采取固定PWM,只是在保證可靠起動前提下,盡量減小PWM的占空比,找出起動穩定,PWM的占空比又是最小的值。這是為了使得外同步向內同步閉環切換時,反電勢位置信號與外同步信號在切換前的相位差ζ最小,保證切換的可靠性。同時,降低起動PWM占空比有利于減少起動電流。

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