低速永磁無刷直流電機控制系統的研究

孫佃升 ，夏需強 ，呂秀杰

（1.濱州學院 自動化系，山東 濱州256603；2.中國天然氣管道局設計公司東北分公司，遼寧 沈陽110031）

目前，桿驅螺桿泵式抽油機普遍應用于油田生產中。由于螺桿泵式抽油機要求驅動電機提供的驅動力矩大、轉速慢、運行平穩。采用異步電機通過減速機構來驅動螺桿泵，往往存在效率低下、噪音、振動等問題，而無刷直流電機具有效率高、轉矩大、低速運行平穩等優點，因此適合用做螺桿泵式抽油的驅動電機。而且，專門制造的低速無刷直流電機可實現對螺桿泵式抽油機的直接驅動，既簡化了系統的傳動機構，又避免了使用減速器帶來的一系列問題。另外，由于無刷直流電機運行中需要檢測的狀態量較多，控制較為復雜，采用單片機進行數據處理與控制已經明顯力不從心。近年來，國外許多公司紛紛推出高性能的數字信號處理器（DSP），比如TI公司的TMS320C24以及 Motorola公司的 DSP56F8xx系列，用來控制無刷直流電機的運行非常方便。采用數字信號處理器的電機控制系統，數據處理能力強，運行速度快，精度高，正處在普遍開發和應用中。

1 硬件設計

控制系統采用交流380 V整流獲得的直流電作為供電電源，使用三相橋式逆變電路作為功率主電路，控制單元采用Motorola公司的DSP56F803。

本控制系統的硬件部分主要由蓄電池及逆變電路、開關管驅動和保護電路、電源電路、系統控制單元及其外圍電路、電流及電壓信號檢測電路等幾部分組成。圖1所示是硬件系統的示意圖。圖中粗箭頭表示能量傳送方向，細箭頭表示控制或檢測信號的傳送方向。系統運行后，控制單元根據預先設定的控制指令以及檢測到的有關信號發出開關管驅動信號控制無刷直流電機的運行。

圖2所示為功率逆變電路以及無刷直流電機的電路連接圖。電樞繞組為三相繞組，Y接。功率逆變電路采用電壓型三相全橋逆變電路。實驗所用的無刷直流電機為額定功率2.2 kW，額定電壓300 V，電樞繞組Y接；開關管選用富士公司的 IGBT，型號為 1MBH60-100，額定電流60 A，額定電壓1 000 V；IGBT的驅動保護模塊采用了VLA517-01R。

圖3所示為控制單元各模塊承擔的功能示意圖。

鍵盤接口負責接收控制指令，產生鍵盤中斷或改變電機的運行狀態。AD轉換模塊實時檢測相電流、轉速給定、相電壓等信號。電機的位置檢測采用電機內置的霍爾位置傳感器，輸出3路位置信號（矩形波）。根據電機當前轉子位置信號決定IGBT的導通次序，輸出IGBT的開關信號。同時，將檢測到的轉速和相電流信號輸入DSP，根據控制算法決定PWM信號的占空比。PWM信號的占空比決定電機的速度控制，它和IGBT的開關信號、故障中斷產生的封鎖信號一起作為邏輯綜合電路的輸入。邏輯綜合電路的輸出作為IGBT驅動電路的輸入信號。

其他功能的硬件電路比如電壓和電流采集等電路的設計較為常見。

2 電動運行原理

電動運行時，相電流的導通方式采用120°導通方式，即每個功率管導通時間均為120°電角度。調速采用的PWM調制方式為半橋調制，即PWM只對導通周期內一對元件中的一個起作用。功率管的開關狀態取決于位置傳感器提供的HALL信號。表1所示為測試得出的電機正向和反向電動運行時，霍爾位置傳感器的HALL狀態與開通功率管的對應關系。

圖4(a)所示為半橋調制時相電流與反電勢的對應關系。 以 T1和 T6導通的 60°時間為例，這時 eA、eB、eC的波形如圖 4(b)所示的 t1～t3。圖 5所示為半橋調制下開關管導通和關斷時的繞組電流情況。

表1 正轉時HALL狀態與開通功率管的對應關系

3 軟件設計

本設計的控制單元采用Motorola公司的DSP56F803芯片，采用C語言和匯編語言混合編程，實行模塊化設計。圖6所示為系統軟件設計結構框圖，從圖中可以看到程序的五大模塊以及各模塊間子程序的相互調用關系。

為保證電機平穩運行，必須保證換相平穩，即電機在換相時不發生抖動，盡量減小轉矩脈動。由于電機換相信號頻率較高、信號傳輸線需由電機引向控制器，往往較長，電機現場運行環境中的電磁因素極易對換相信號造成干擾，使換相信號畸變、紊亂。這就需要對換相信號線進行相應防干擾和濾波處理，比如通過使電機換相信號的輸出與控制器之間的信號線盡量短，信號線采用絞合線以及采用外皮屏蔽式信號線等辦法。程序上也可以對換相信號做干擾過濾處理，即根據電機的轉速估算正常換相的位置信號出現的大體時間段，將該時間段外的干擾信號屏蔽，這樣，即使轉子在換相點附近干擾信號，仍能正常換相。

系統采用轉速、電流雙閉環控制，兩調節器均采用PID調節器，控制系統如圖7所示。

4 實驗結果與結論

圖8所示是實驗測得的無刷直流電機空載起動轉速變化曲線。可見轉速響應較快，超調較小，轉速波動小，具有良好的動靜態特性。圖9所示為本文設計的無刷直流電機控制器控制下的無刷直流電機的相電流和一相位置信號的波形，此波形較理想。總之，實驗結果表明，系統運行情況較好，具有一定應用價值。

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