尚 君，馮明旭

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 南岸 400074)

無(wú)刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor，BLDCM)是隨著新型電力電子器件和永磁材料的發(fā)展而成熟起來(lái)的一種新型電機(jī).它屬于同步電機(jī)的范疇，既有運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，又有像有刷直流電機(jī)一樣的調(diào)速性能.然而，傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)需要附加轉(zhuǎn)子位置傳感器，在惡劣工作環(huán)境中信號(hào)線易引入干擾且常規(guī)傳感器無(wú)法使用，無(wú)疑大大降低了電機(jī)的可靠性［1］.

無(wú)位置傳感器技術(shù)解決了無(wú)刷電動(dòng)機(jī)位置傳感器難以安裝和維護(hù)的弊端，而且具有快速可靠、高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等特點(diǎn)，因此在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用.本文采用目前最廣泛應(yīng)用的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法，基于PSoC芯片設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器.

1 PSoC概述

PSoC(Programmable System on Chip)是Cypress半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位MCU核并具有數(shù)字與模擬混合信號(hào)陣列的可編程片上系統(tǒng)，它集3種可編程功能為一體，不僅有MCU的可編程能力，還有部分可編程邏輯運(yùn)算的功能，提供了可編程模擬陣列，通過(guò)控制或配置寄存器，使三者相互作用、協(xié)調(diào)工作.

CY8C24533使用8位哈佛結(jié)構(gòu)處理器內(nèi)核(M8C CPU)，它具有獨(dú)立的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線，處理器速度可達(dá)24 MHz.擁有豐富的M8C架構(gòu)指令，系統(tǒng)提供便捷的尋址方式［2］.CY8C24533有4個(gè)模擬模塊和4個(gè)數(shù)字模塊.片內(nèi)的模擬模塊可以配置各種模擬周邊功能，如差分放大器、比較器、可編程濾波器、可編程增益放大器等.片內(nèi)數(shù)字模塊可配置成各種各樣的用戶模塊，如實(shí)時(shí)時(shí)鐘、時(shí)間定時(shí)器、全雙工(UART)、串行主從通信(SPI)、循環(huán)冗余校對(duì)模塊、脈寬調(diào)制(PWM)和死區(qū)脈寬調(diào)制(DB PWM)等功能模塊.結(jié)合數(shù)字模塊和模擬模塊可以實(shí)施各種AD轉(zhuǎn)換，如8和11位的△-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換，7到4位的增量式模數(shù)轉(zhuǎn)換等.

CY8C24533的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示［2］.

圖1 CY8C24533內(nèi)部系統(tǒng)資源框圖

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)由CY8C24533主芯片、IR2101S前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路 、三相逆變電路 、反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路、過(guò)壓限流保護(hù)電路、采樣電路及各級(jí)電源供電電路構(gòu)成，總體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的工作原理如下:圖2中CY8C24533l輸出3路上橋PWM和下橋全通控制信號(hào)經(jīng)處理后，控制3片集成芯片IR2101組成的前級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)后級(jí)電路，進(jìn)而控制三相逆變電路中上下橋MOS管的兩兩通斷，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及調(diào)速.

電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電壓電流采樣后，通過(guò)過(guò)壓、限流保護(hù)電路，反饋給主芯片.過(guò)壓限流保護(hù)電路是為了防止電壓電流過(guò)大傷害電機(jī)本身，同時(shí)也防止電流過(guò)大，造成MOS管溫度過(guò)高而損壞.

無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)關(guān)鍵點(diǎn)是換向問(wèn)題.系統(tǒng)采用了反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)原理，通過(guò)構(gòu)造中性點(diǎn)，進(jìn)行比較后將得到的信號(hào)送入主芯片，經(jīng)編程給定驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)控制逆變電路，供電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)［3］.

關(guān)于電機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)BLDCM在低速或靜止時(shí)的反電勢(shì)很小或?yàn)榱?，因此無(wú)法準(zhǔn)確獲得反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的信號(hào)，從而無(wú)法判斷轉(zhuǎn)子位置而電機(jī)也無(wú)法自啟動(dòng).此時(shí)需要通過(guò)其他的方法來(lái)啟動(dòng)電機(jī).本系統(tǒng)采用三段式起動(dòng)的原理，即轉(zhuǎn)子預(yù)定位、外同步加速和外同步到自同步的切換.當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速后，能夠在定子繞組中感應(yīng)出足夠大的電動(dòng)勢(shì)，再選擇合適的時(shí)機(jī)，將換向方法轉(zhuǎn)換至反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)換相工作狀態(tài)，完成電機(jī)的起動(dòng)［4-5］.這樣電機(jī)轉(zhuǎn)向可控，且電機(jī)在達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后才切換.

3 主要硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 功率驅(qū)動(dòng)與逆變電路

下圖為電機(jī)三相的其中一相的前級(jí)功率驅(qū)動(dòng)和逆變電路圖.

圖3 電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)逆變電路

本文采用的是三相半橋的電路拓?fù)?，選用IR2101S作前端驅(qū)動(dòng)芯片.IR2101S是柵極驅(qū)動(dòng)、雙通道、高壓高速功率的驅(qū)動(dòng)器，該器件采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，且上管采用外部自舉電容供電，使驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其他IC驅(qū)動(dòng)大大減少，從而減少了電源數(shù)目，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了產(chǎn)品成本.

3.2 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路

如圖4、圖5所示，為反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)原理圖及具體電路信號(hào)處理部分［6］.此檢測(cè)電路主要由容阻分壓、低通濾波和過(guò)零檢測(cè)3部分電路組成.首先通過(guò)阻容分壓電路，將得到所需要的端電壓信號(hào)，經(jīng)RC無(wú)源低通濾波電路濾波得到的信號(hào)與中性點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，從而獲得方波波形信號(hào)，將信號(hào)輸入至主芯片，經(jīng)軟件程序處理后，作為電機(jī)的換相信號(hào).

如圖5中的框內(nèi)所示，增加PWM控制的電阻分壓開(kāi)關(guān)電路，隨著轉(zhuǎn)速的增加減小采樣電阻阻值，從而避免反電勢(shì)幅值高于比較器的供電電壓［7］.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)參考電機(jī)轉(zhuǎn)速線性調(diào)節(jié)控制信號(hào)的占空比，控制反電勢(shì)幅值在一個(gè)安全的范圍內(nèi)，這樣直接增大了過(guò)零檢測(cè)在高速區(qū)時(shí)的使用范圍.此反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)方法不僅有效地改善電機(jī)在低速時(shí)反電勢(shì)難以檢測(cè)的問(wèn)題，還可以避免在高速時(shí)由于反電勢(shì)幅值過(guò)高可能造成的電路損壞.

圖4 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路原理圖

圖5 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)細(xì)節(jié)電路

3.3 過(guò)壓、限流保護(hù)電路

如圖6所示，采樣信號(hào)為無(wú)刷直流電機(jī)母線電壓電流.經(jīng)保護(hù)電路的處理信號(hào)，送入主芯片，由軟件編程設(shè)置電壓、電流的閾值，直接對(duì)電壓、電流進(jìn)行檢測(cè)并產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)，以免對(duì)電路和電機(jī)造成損害.

圖6 過(guò)壓、限流保護(hù)電路

3.4 電源供電模塊

本系統(tǒng)電源為60 V直流供電.電路主供電源有+13.5 V及芯片供電+5 V.采用降壓式變換電路(Buck電路)原理.具體電路如圖7所示.

圖7 降壓電路13.5～5 V

4 控制方案

以上各硬件模塊要在主芯片程序的協(xié)調(diào)下有序地工作，才可以完成無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，這就需要軟件系統(tǒng)發(fā)揮作用.

4.1 電子換相

電機(jī)要對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行精確檢測(cè)，并用電子開(kāi)關(guān)切換不同繞組通電以獲得驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，換相必須及時(shí)準(zhǔn)確，否則容易導(dǎo)致控制器和電機(jī)燒毀.本系統(tǒng)采用PSoC中的中斷來(lái)檢測(cè)換相信號(hào)，這樣芯片可根據(jù)獲得信息進(jìn)行后續(xù)任務(wù).

圖8 降壓電路60～13.5 V

4.2 雙閉環(huán)PI控制算法

在閉環(huán)控制中，一般是將反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)與預(yù)定轉(zhuǎn)速控制信號(hào)相比較、放大后，用其差動(dòng)量去校正控制對(duì)象，直至控制轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)達(dá)到平衡.如圖9所示，系統(tǒng)采用電流環(huán)和速度環(huán)相串聯(lián)的雙閉環(huán)控制.電機(jī)處于自同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，控制器根據(jù)測(cè)出的電機(jī)位置切換信息，計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)速，并將速度給定信號(hào)與當(dāng)前轉(zhuǎn)速在主程序中進(jìn)行PI計(jì)算可得到電流的參考值(速度環(huán)).電機(jī)繞組電流反饋信號(hào)由采樣電阻從A/D口送入到主芯片，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到當(dāng)前電流值，并將得到的電流值與電流參考值進(jìn)行PI計(jì)算(電流環(huán))，通過(guò)電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)算法計(jì)算PWM占空比的控制量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形的脈寬調(diào)制，控制電機(jī)達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速.從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外，叫做外環(huán).由此形成一個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖9所示.

圖9 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)原理圖

4.3 過(guò)壓、限流保護(hù)

為了提高軟件級(jí)保護(hù)實(shí)時(shí)性，采用PWM中點(diǎn)采樣法進(jìn)行電流和電壓的檢測(cè)，這樣在每個(gè)PWM穩(wěn)定的時(shí)間進(jìn)行電流電壓采樣可以提高精度和實(shí)時(shí)性.

5 測(cè)試分析

在實(shí)體電路設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了采樣信號(hào)、換向信號(hào)、電機(jī)相電壓信號(hào)的測(cè)試，如圖10所示.該控制器能很好地控制電機(jī)進(jìn)行換向和正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的實(shí)用性.

圖10 采樣信號(hào)、換向信號(hào)及電機(jī)相電壓信號(hào)采集

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于PSoC設(shè)計(jì)了無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的控制器，從軟硬件上實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的換相、檢測(cè)、保護(hù)等設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)用CY8C24533豐富的片內(nèi)資源和高效的處理能力，設(shè)計(jì)速度環(huán)的PI控制、起動(dòng)電機(jī)和電機(jī)速度反饋都由軟件完成.該方案既可以應(yīng)用于普通無(wú)刷直流電機(jī)控制，也可以用于一些特殊的場(chǎng)合.

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