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无位置传感器的无刷直流电动机控制系统

新品抢鲜中国仪表网2008年09月05日 08:48人气:4673

   无位置传感器的无刷直流电动机控制系统,程序算法较复杂,且不适于应用在低速及启动状态,目前绝大部分BLDCM控制系统仍然采用位置传感器。在种类众多的位置传感器中,霍尔元件以价格低廉、使用方便等优点被大量应用。

 引言 
    直流电机由于调节特性好,堵转转矩大,被广泛应用于驱动装置及伺服系统。 
    但是有刷直流电动机结构复杂,需要通过电刷换向,会产生火花并导致电磁干扰等问题,从而使有刷直流电动机的转速及安全等级不能满足很多场合中的工业生产需要,使应用范围受到限制。 
    电子器件制造工艺的进步,使制造大功率电子换向器成为可能,也使无刷直流电动机(BLDCM)技术有了飞速发展。无刷直流电动机既具有传统直流电动机的优点,又由于采用电子换向器,从而克服了机械换向带来的一系列问题,使无刷直流电动机成为当前电动机控制领域的热门课题,并且已经被大量应用于生产生活。目前很大一部分电动自行车都使用BLDCM作为驱动元件。 
    无位置传感器的无刷直流电动机控制系统,程序算法较复杂,且不适于应用在低速及启动状态,目前绝大部分BLDCM控制系统仍然采用位置传感器。在种类众多的位置传感器中,霍尔元件以价格低廉、使用方便等优点被大量应用。本文提出了基于NEC16位单片机UPD78F1201,并以霍尔元件作为位置传感器的BLDCM控制系统解决方案。 
    无刷直流电动机控制原理 
    带位置传感器的无刷直流电动机控制系统结构如图1所示。 
    位置传感器通常是光电编码器、霍尔传感器或正余弦旋转变压器。光电编码器和正余弦旋转变压器精度高,但价格昂贵,所需算法也较复杂,主要应用于仿真转台或精密数控机床等。霍尔传感器结构简单、价格低廉,在BLDCM控制系统中应用很广,电动自行车中通常采用霍尔传感器。在电动机定子上间隔120°电角度放置3个霍尔传感器,即可满足BLDCM的换相控制需要,而且可以通过检测霍尔传感器输出信号的频率或脉冲宽度,来检测电动机转速,实现速度闭环。 
    驱动电路大部分采用全桥电路,通过调节功率器件的开关顺序来实现BLDCM的换相控制,并可以实现电动机的正反转控制。通过在上下桥臂都调制PWM信号来平衡功率器件的工作压力,来延长其工作寿命。 
    控制器部分通常使用单片机或DSP。控制器通过读取位置传感器信号来检测BLDCM的转子位置,从而决定换相策略,输出控制信号到驱动电路,控制功率器件的开关顺序,使电机可以连续转动。通常,BLDCM控制系统还具有速度闭环及过流保护功能。 
    图2是120°霍尔无刷直流电动机的换相时序示意图。在本设计中采用此换相时序,根据检测到的霍尔信号来决定换相策略,由图中可见,只在上桥臂采用了PWM控制,而下桥臂控制信号并未调制PWM信号。此方法的优点就是易于实现,但会带来上桥臂功率器件工作压力大,使用寿命低于下桥臂器件。 
    三路霍尔的输出信号可以组成6种位置信息,通过此位置信息,来控制换相。例如,当H1H2H3组成的编码为101(高电平为1,低电平为0)时,电流从电动机U相流入,V相流出;当H1H2H3变为100时,电流从U相流入,W相流出。在这样的控制方式下,电动机实现连续转动。 
    系统设计 
    UPD78F1201是NEC公司面向变频控制应用的16位单片机,它具有较为丰富的硬件资源,包括硬件乘法器、除法器、变频计数器及实时输出功能等,都为BLDCM控制带来了便利。
 
    UPD78F1201CPU时钟最高频率为20MHz,计时器时钟40MHz,采用16位78KOR处理核心,指令执行速度更快,效率更高,并在单片机内集成了大量的功能强大的外围设备,例如看门狗、DMA控制器、上电清零电路、低压检测电路等,降低系统成本,并提高系统可靠性。UPD78F1201内建了16位乘16位的硬件乘法器和32位除32位的硬件除法器,能够在1个时钟周期内完成乘法运算,在16个时钟周期内完成除法运算,极大地提高了单片机的运算性能。 
    此单片机设计用于电机变频控制,所以在内部有变频控制功能及实时输出功能。通过计时器矩阵单元(TAUS),可以设置6路PWM波的周期、占空比、死区时间等,与实时输出功能配合,可以简化BLDCM控制算法,从另一个角度提高系统性能。 
    本系统所使用的电机为BLY171S,三相无刷直流电动机,带有120°霍尔传感器,最高转速8000r/min,额定电压15V。通过变阻器输入速度控制信号。单片机输出六路控制信号,控制三相全桥驱动电路,根据变阻器输入电压值来调节PWM占空比,调节电机转速。单片机通过外部中断来检验霍尔传感器的输出信号,并根据电机转动方向来决定换相策略。在TAUS中设置PWM的占空比及死区时间,通过实时输出功能,将PWM波调制到响应的功率器件。系统硬件结构框图如图3所示。 
     
    结论 
    电动机三相绕组的电压波形如图4(a)所示,波形从上到下依次为U、V、W三相。图4(b)为V、W两相的控制信号,从上到下为VB、VT、WB和WT。 
    利用NEC的UPD78F1201单片机设计的无刷直流电动机控制系统,结构简单,易于实现。本文仅简单介绍了无刷直流电动机控制系统的实现方法,目前,NEC电子公司可向客户提供完整的无刷直流电动机控制解决方案,并努力扩大针对电动机控制的MCU产品种类和生产能力,会有更多的产品应用于空调、冰箱以及电动车等领域。
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