無(wú)位置傳感器技術(shù)在BLDCM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

鎮(zhèn)江市高等專(zhuān)科學(xué)校 電子信息系 薛 鋒

無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）不直接檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置，與有刷電機(jī)相比，既減少了位置傳感器，又簡(jiǎn)化了電動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)。本文，筆者以某BLDCM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，對(duì)無(wú)位置傳感器技術(shù)在該系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，以期對(duì)同行有所參考。

一、無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)特別適用于小型和輕載電氣設(shè)備的啟動(dòng)，被廣泛應(yīng)用于空調(diào)、洗衣機(jī)等電器設(shè)備中。無(wú)位置無(wú)刷直流電機(jī)通過(guò)在無(wú)刷直流電機(jī)上安裝霍爾元件、光電碼盤(pán)等裝置，直接檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置；或者通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的磁鏈、電流和電壓等物理量，間接地獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。由于不是直接檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，因此被稱(chēng)為無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。

二、某BLDCM控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用單片機(jī)做主控芯片，無(wú)位置傳感器位置檢測(cè)電路模塊將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)處理后送入控制器，單片機(jī)根據(jù)靜止轉(zhuǎn)子的具體位置產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)三相逆變器電路工作，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)，其中電流閉環(huán)用于輔助調(diào)節(jié)電機(jī)參數(shù)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

三、無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法

常見(jiàn)的位置檢測(cè)方法有狀態(tài)觀測(cè)器法、反電動(dòng)勢(shì)法、鎖相環(huán)技術(shù)法、第二相導(dǎo)通法、電感法、電流法和磁鏈估計(jì)法等，本文，筆者采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法。在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，繞組的反電動(dòng)勢(shì)呈正負(fù)交替變化，反電動(dòng)勢(shì)的大小取決于轉(zhuǎn)子直線(xiàn)是否與該相繞組軸線(xiàn)重合，因此只要精確檢測(cè)到各相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)就可以判斷出轉(zhuǎn)子位置，從而控制電子換向開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器對(duì)BLDCM的控制。對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)為梯形波的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，由于在任意時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通，而另一相懸空，因此，可以檢測(cè)出懸空相的反電動(dòng)勢(shì)，而懸空相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)再延時(shí) 30°即為換流的關(guān)鍵時(shí)刻。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組采用星形接法，其電樞繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形為梯形，為保證每個(gè)時(shí)刻有一相斷路，系統(tǒng)采用兩兩導(dǎo)通、三相六狀態(tài) PWM調(diào)制方式，每個(gè)時(shí)刻有2個(gè)功率管導(dǎo)通，每相繞組正反向分別導(dǎo)通 120°電角度。

四、系統(tǒng)主要硬件模塊電路設(shè)計(jì)

1.無(wú)傳感器位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。三相逆變電路及過(guò)零檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該電路結(jié)構(gòu)可以忽略無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電樞反應(yīng)的影響，這樣通過(guò)檢測(cè)未導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)就可以獲取轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，并將此信號(hào)作為逆變橋功率器件的觸發(fā)信號(hào)，輪流觸發(fā)實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.PWM控制模塊電路設(shè)計(jì)。PWM控制模塊主要有AVR單片機(jī)及A/D轉(zhuǎn)換電路組成。無(wú)位置傳感器檢測(cè)電路輸出的信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入AVR單片機(jī)I/O口，由單片機(jī)反饋產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波形，作用于三相逆變電路。

3.軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主流程圖如圖3示。

系統(tǒng)上電時(shí)，單片機(jī)判斷用戶(hù)是否要啟動(dòng)電機(jī)，如果不啟動(dòng)則整個(gè)系統(tǒng)處于待命狀態(tài)；如果啟動(dòng)，首先初始化單片機(jī)硬件資源及外圍電路，判斷此時(shí)轉(zhuǎn)子位置，進(jìn)而調(diào)整功率管的啟動(dòng)順序，使電機(jī)平衡啟動(dòng)，然后不斷查詢(xún)用戶(hù)的給定信號(hào)，進(jìn)入調(diào)速狀態(tài)。如果有停止命令則關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路。

在無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)十分重要，由于測(cè)速裝置安裝位置、轉(zhuǎn)速和頻率的限制，傳統(tǒng)位置檢測(cè)電路已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求。實(shí)踐證明，本文，筆者給出的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。