吳 軍，鐘名宏，杜澤華

(江西理工大學，江西贛州341000)

0 引 言

無刷直流電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低、調(diào)速和起動特性好、轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，在工業(yè)控制、醫(yī)療器械及家電等方向應用越來越廣泛。無刷直流電動機系統(tǒng)包括電機本體、位置傳感器、電子開關(guān)電路［1］。應用中有無位置傳感器和有位置傳感器兩種系統(tǒng)之分，兩者有各自的優(yōu)缺點，實際應用中應結(jié)合場合選取合適方案。FCM8202 是一款硬件實現(xiàn)無刷直流電動機SVPWM 驅(qū)動的芯片，性能穩(wěn)定、通用性強、噪聲小、效率高、實現(xiàn)無級調(diào)速等優(yōu)點。針對該FCM8202 價格高的缺點，提出一種基于瑞薩R5F212L4 的無刷直流電動機SVPWM 驅(qū)動系統(tǒng)。本系統(tǒng)具備其優(yōu)點的同時，也大大降低了成本，還具有實現(xiàn)簡便、計算量小，方便添加其他功能模塊多種優(yōu)點。

系統(tǒng)使用方波型無刷直流電動機，文中沒有特別聲明時，出現(xiàn)的角度為電角度，周期為電周期。

1 系統(tǒng)控制策略及硬件實現(xiàn)

系統(tǒng)使用有霍爾傳感器電機，設計方案為三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，即速度閉環(huán)和正弦波相位閉環(huán)。閉環(huán)一、根據(jù)霍爾周期計算瞬時轉(zhuǎn)動速度，與速度參考值比較得到速度誤差信號，經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)控制器，輸出控制增大或減小占空比;閉環(huán)二、轉(zhuǎn)子每60°更新霍爾信號時，軟件實施強制矯正，輸出正弦波電壓相位，使電壓相位與轉(zhuǎn)子位置相對應;閉環(huán)三，通過對三相電路的某相(本文取A 相)下管電流檢測，獲得其上升沿過零點，結(jié)合計時器計算此時角度，如果滯后反電動勢相位，則使輸入電壓超前一個單位，使電流相位與反電動勢的相位差不斷減小，直至為零，此時電機運行于穩(wěn)態(tài)。通過以上方法實現(xiàn)電機穩(wěn)定運行，調(diào)速平滑。方案設計的硬件控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中的α 是離散的角度時刻。系統(tǒng)主控芯片采用R5F212L4，內(nèi)置閃存，最高工作頻率20 MHz，定時器RD 多通道PWM 輸出簡化了電機控制過程。同時具有豐富的I/O 端口，9 通道AD，多個外部中斷引腳。具有較大的價格及性能優(yōu)勢。

圖1 基于R5F212L 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用集成CMOS 管實現(xiàn)變頻器，應用IR2012 的6 個輸出端口直接驅(qū)動6 個CMOS 柵極。系統(tǒng)驅(qū)動電流與反電動勢相位差大小直接影響電機轉(zhuǎn)矩輸出，當此相位差為零時，此時電流相對轉(zhuǎn)子磁場相位相差90°電角度，使得電機轉(zhuǎn)矩最大。正弦波電流過零檢測是為了校正對不同參數(shù)電機進行電壓相位自適應超前，鎖定電流與反電動勢相位差為零。系統(tǒng)驅(qū)動電路及電流過零檢測電路如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)驅(qū)動電路及A 相電流過零檢測

2 霍爾元件安裝及轉(zhuǎn)子位置估計原理

轉(zhuǎn)子位置是電機運行的重要參數(shù)之一，若轉(zhuǎn)子位置檢測不準確，轉(zhuǎn)子估算偏差較大，都會直接影響控制，導致控制不正?；蛘邿龤щ姍C。

在電機內(nèi)部相距120°安裝3 個霍爾開關(guān)傳感器，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，霍爾元件就會輸出一個上升沿和下降沿與轉(zhuǎn)子磁場強度B 的過零點相對應的方波信號［2］。霍爾信號的輸出應與某相繞組的空載反電動勢同相位［3］。電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子角度取決于該信號，若安裝傳感器時偏離理想位置就會給系統(tǒng)帶來很大的誤差，會給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性因素。

設定子三繞組對應霍爾信號分別為Hu、Hv及Hw，其值“1”表示霍爾信號為高電平，“0”為低電平。本文中電機產(chǎn)生的霍爾信號與轉(zhuǎn)子位置在程序中對應關(guān)系如表1 所示。

表1 霍爾信號與轉(zhuǎn)子角度對應關(guān)系

電機運行的電周期采用如圖3 所示方法計算，其中T 為霍爾周期。

圖3 減小霍爾安裝誤差的轉(zhuǎn)動周期計算

圖中最上豎線表示霍爾傳感器上升沿和下降沿信號，間隔為60°電角度。每過60°電角度強制矯正運行角度。如下:

式中:ω 為轉(zhuǎn)子角速度，T 為轉(zhuǎn)子周期，θ 為正弦相位角度，α 為轉(zhuǎn)子對應扇區(qū)起點，TPWM為程序中PWM信號周期，n 為第幾個PWM 周期。其中ω、T 及α每60°角度更新，θ 及n 每PWM 周期更新。

3 控制系統(tǒng)的軟件設計

控制軟件主要有系統(tǒng)初始化、轉(zhuǎn)子速度和位置計算模塊、相位校正模塊、SVPWM 波形輸出模塊、系統(tǒng)故障顯示及保護模塊組成。

3.1 電流與反電動勢相位關(guān)系及相位校正

電機A 相等效電路模型如圖4 所示，電壓與電流關(guān)系如下:

圖4 A 相等效電路模型

可以看出電壓與電流有相位差存在。由于電機參數(shù)不同，導致電壓與電流相位差不是固定值。電機控制中期望使電流與反電動勢相位差為零，并且電流相位恒定在超前轉(zhuǎn)子角度90°，使其在高效率下工作。相位校正前后電壓、電流及反電動勢對應轉(zhuǎn)子角度波形如圖5 所示。

圖5 電壓電流及反電動勢對應轉(zhuǎn)子角度波形

圖中，a 為霍爾信號，b 為相反電動勢，c1和c2為不同相位相電壓，d1和d2為不同相位電壓對應的相電流，Δθ 為相電流與相反電動勢相位差，As為相電壓與相電流相位差。

通過調(diào)整相電壓相位使Δθ 趨于零，使電流與相反電動勢同相，鎖定此時的相位偏移即達到相位校正目的。程序流程圖如圖6 所示。

圖6 相位校正程序流程圖

其中，一個霍爾周期計時一次，即θ 校正一次，θ為轉(zhuǎn)子位置角，d 為相位校正步距(圖6 中校正步距為1°)。

3.2 SVPWM 輸出設計

為了減小電子開關(guān)頻率，提高其使用壽命，F(xiàn)CM8202 中采用了上管不導通時下管常開策略。同時為提高電能利用率，加入三次諧波，產(chǎn)生相電壓波形如圖5 中相電壓。SVPWM 輸出是定時獲取轉(zhuǎn)子角度，通過查表輸出對應角度的三相電壓值，程序流程如圖7 所示。

圖7 中斷程序?qū)崿F(xiàn)正弦波調(diào)制

圖中，θ 為轉(zhuǎn)子位置角，T0為，Tu、Tv、Tw為三相上管的導通占空比，TPWM為PWM 周期，Kmax為正弦表的幅值。

4 結(jié) 語

為了驗證本文驅(qū)動系統(tǒng)的自適應性，實驗中使用霍爾傳感器無刷直流電動機，定子繞組為三相星形連接，磁極對數(shù)為2，相感抗為0．05 mH，相阻抗為350 mΩ，最大轉(zhuǎn)速3 000 r/min，24 V 給電機供電。在3 000 r/min 時，最大容許電流為3．5 A，轉(zhuǎn)矩常數(shù)為10．8 N·m/A。當占空比為98% 空載時，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，電流為450 mA，在300 r/min 時，電流為90 mA，電機運行平穩(wěn)，電流較小，振動噪聲小，實現(xiàn)無級調(diào)速。

本文SVPWM 驅(qū)動系統(tǒng)有如下優(yōu)點:

(1)通過軟件設計進行相位校正后，解決了由電流與轉(zhuǎn)子相位差不固定在90°所帶來的電源低效率、電機大電流運行發(fā)熱等問題，使電機運行于最大轉(zhuǎn)矩、最小電流環(huán)境下，達到高效率運行。

(2)電機系統(tǒng)起動平穩(wěn)，運行時無振動和失步現(xiàn)象，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，正反轉(zhuǎn)調(diào)速性能良好的優(yōu)點。該方法計算量小，對MCU 的要求低，在低直流母線電壓的中小功率應用場合具有技術(shù)優(yōu)勢。

(3)系統(tǒng)實現(xiàn)簡便，計算量小，可以方便地添加其他功能模塊，增強系統(tǒng)的可擴展性。

［1］ 張?。绷鳠o刷電動機原理及應用［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2004．

［2］ Capponi F G，De Donato G，Del Ferraro L．AC brushless drive with low resolution Hall－effect sensors for an axial flux PM machine．［C］/ /39th Industry Applications Conference Annual Meeting．2004，4:2382－2389．

［3］ 鄒繼斌，徐永向，于成龍，等．正弦波無刷直流電機的新型轉(zhuǎn)子位置檢測方法［J］．中國電機工程學報，2002，22(12):47－49，55．

［4］ 曾風平，鄭成勇，章躍進，等．基于開關(guān)型霍爾位置傳感器的永磁同步電動機正弦波驅(qū)動［J］．微特電機，2010，38(8):56 －58，71．