一種改進的單相無刷直流電動機驅動器的控制方法

趙瑞萍，王曉嘉，原慧芳

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

無刷直流電動機具有體積小、控制簡單、效率高、穩態轉速誤差小以及維修保養簡單等優點，而且隨著稀土永磁體技術的發展，它在運動控制領域得到了廣泛應用。

無刷直流電動機的轉子由永磁材料制成，定子由電樞繞組組成。繞組的相數最常用的有單相、三相和四相。每相繞組分別與電子開關電路相連接，電子開關電路中的功率開關管由位置傳感器的信號控制。無刷直流電動機由電動機本體、轉子位置傳感器和電子開關電路三部分組成［1］。

無刷直流電動機在換相過程中會引起轉矩波動增大、平均轉矩下降等許多問題。隨著電機速度的增加，這些問題會變得更加突出。采用適當提前換相控制可以提高電機的輸出轉矩，從而提高系統的效率，同時，準確地選擇提前換相點還可以有效減小系統的轉矩脈動［2］。

本文對單相無刷直流電動機的控制算法做了一些改進，將分段PWM控制與提前換相相結合，提高了整個系統的效率，并抑制了部分轉矩脈動。

1 單相無刷直流電動機驅動器的控制原理

單相無刷直流電動機的基本結構如圖1所示。定子鐵心由數片硅鋼片疊裝組成，鐵心上設置了4個齒和槽，圍繞每個齒分別用漆包線繞制成繞組1、2、3、4。電機轉子由磁鋼組成，磁鋼的磁極與定子的齒和槽相對應。霍爾芯片用來檢測磁鋼的磁極信號。當電機轉子位置變化時，霍爾芯片的輸出邏輯信號也相應變化，并將信號傳遞到控制電路中。一般可以設定當磁極N轉到靠近霍爾芯片時，霍爾芯片輸出高電平信號;當磁極S轉到靠近霍爾元件時，霍爾芯片輸出低電平信號。

通常情況下，單相無刷直流電動機的PWM控制采用H橋控制方式，驅動電路由圖1所示的4個功率器件V1、V2、V3、V4構成，功率器件的輸出端連接到串連后的電機繞組兩端。電機的位置信號由霍爾傳感器檢測，輸出信號輸入到單片機，由單片機經過一系列邏輯判斷，輸出PWM指令信號。正轉時邏輯驅動電路給出開通信號控制V1和V4開通，另外一組功率器件閉合;反轉時邏輯驅動電路給出開通信號控制V2和V3，另外一組功率器件閉合，電流反向流通，換相點是通過檢測霍爾元件的狀態，在霍爾元件發生變化的點改變開關邏輯。使用PWM輸出信號來控制H橋的4個開關，改變PWM輸出信號的占空比可以調整電機電壓，改變加在電機上的電壓，可以改變電機的轉速［1］。對于本文的實際要求，負載為200 mm/31°的風扇扇葉，要求其運行在額定轉速1 500 r/min，因此只需要由CPU給定邏輯驅動電路一個固定的PWM指令值。即可滿足控制要求。這個指令信號再由邏輯驅動電路變換輸出給4個功率器件的開關信號，從而實現單相無刷電機的換相。系統原理圖如圖1所示。

圖1 單相無刷直流電動機及控制器結構圖

2 改進的控制算法

無刷直流電動機控制器電流波形滯后于反電動勢一定的時間，造成了電機輸出轉矩下降，采用超前換相控制可以減小電流滯后的時間，當反電動勢升高時，相電流迅速升高，從而達到增大輸出轉矩、提高效率的目的［3］。同時，還改進了通常的給定單一占空比的控制方法，在檢測到正常換相點時，給定一個較高的占空比，使相電流迅速增加，而在到達提前換相點時，給定一個稍低一點的占空比，這樣，既可增大輸出轉矩又可達到要求的轉速。

無刷直流電動機軟件控制算法是:通過檢測到的霍爾元件的狀態，給邏輯驅動電路芯片的開關信號相應的邏輯電平，這些邏輯電平輸出給四個功率器件，通過功率器件輪流導通，這樣就實現了電機的換相。電機的速度由PWM信號來控制，給定不同的占空比可以得到不同的速度。利用定時器的捕獲功能來記錄電機每一圈的計數脈沖，這樣可以估算出電機的位置。

本文改進了傳統的PWM調制方式，采用分段PWM和提前換相相結合的方式供電。在軟件算法中，程序的每一個換相周期內，剛開始給定高一點的占空比，到達提前換相點時給定稍低一些的占空比。這種方式可以使電動機的電流比正常給定同樣占空比的方式更快速地達到比較高的值，從而使電流和反電動勢的乘積增高，這樣可以增大電機的輸出轉矩，從而增大電動機的輸出功率，提高效率。為了克服相電流滯后反電動勢引起的轉矩下降，在程序中加入了超前換相的算法，當程序中檢測到霍爾信號改變，進入中斷，需要根據霍爾元件的電平狀態輸出開關的換相邏輯，而在正常需要換相的時刻之前提前就進行換相邏輯的輸出。具體提前換相的時間還可以在程序中修改參數加以調整，從而可以大大提高系統的效率。

具體實現方法如圖2所示，虛線框內示意提前換相的算法邏輯，點劃線框表示分段PWM算法。程序初始化階段先給定一個80%的占空比，然后通過單片機的I/O口檢測當前霍爾狀態，按照當前霍爾狀態給定正常的開關換相邏輯，一旦主程序中掃描檢測到電機運行至每半圈的11/12位置時，則立即給定另一霍爾狀態所對應的開關換相邏輯，這樣就實現了提前換相的算法。同時，在這一位置，將占空比給定為50%，這樣就實現了分段PWM調制。定時器的捕獲功能在外部電平變化中斷中實現，霍爾元件每次電平變化進入中斷，記錄上一個半圈所對應的計數值，計算出165°(即每半圈的11/12位置)所對應的計數值，以備在程序中判斷提前換相點。此電機扇葉額定轉速為1 500 r/min，只需要記錄溢出次數來判斷電機的位置。

圖2 算法邏輯圖

3 單相無刷直流電動機驅動器的實現

為了驗證和應用改進的控制方法，設計了單相無刷電動機的驅動器，硬件電路框圖如圖1所示。

電動機由霍爾元件檢測其位置信號，位置信號輸入給CPU，CPU采用ATMEL公司的單片機AT-mega88，由CPU判斷霍爾元件的狀態，輸出相應的PWM指令信號給驅動芯片IR2109，此芯片輸出相應的開關信號給四個功率器件MOSFET開關管，這四個開關管組成的H橋輸出供給繞組的電壓。硬件電路較之傳統的無刷直流電動機控制電路并無改變。

軟件程序采用C語言編寫，在Atmel公司AVR Studio開發環境進行編譯。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

4 實驗波形及結果分析

圖4是通過實驗得到的普通換相方式的驅動器電流波形，單獨采用分段PWM方式供電的驅動器電流波形如圖5所示。同時采用分段PWM和超前換相相結合的控制方式，并且調整相關參數，可以將驅動器的效率提高到最大值，驅動器電流波形如圖6所示，比較以前的波形，更加接近正弦波。

對同一臺電機進行測試，在輸入交流電壓220 V、負載為帶動扇葉200 mm/31°、逆時針旋轉、轉速控制在1 500 r/min的情況下，對三種控制方式的輸入功率進行了測試，如表1所示。正常換相的電機輸入功率為14.6 W，采用優化方法后，同樣情況下，電機的輸入功率為11.2 W，可以看到電機的效率得到了較大的提高。

表1 采用三種不同控制方式的輸入功率

5 結 語

通過以上的實驗波形以及數據分析，可以看出，采用本文中提出的改進型控制算法，可以將效率提高20%以上，而且從實際測出的電流波形可以看出，轉矩脈動也得到了一定程度的抑制。而且由于所采用的改進方法用軟件來實現，不需要在硬件上作任何改動，并未增加設計費用以及元器件成本，所以對于后續的推廣應用較為方便。

［1］ 張琛.直流無刷電動機原理及應用［M］.2版，北京:機械工業出版社，2004:14-23，128-136.

［2］ 羅宏浩，吳峻.永磁無刷直流電機換相控制研究［J］.中國電機工程學報，2008，28(24):108-112.

［3］ 包向華，章躍進.五種PWM方式對無刷電動機換相轉矩脈動的分析和比較［J］.中小型電機，2005，32(6):48-52，55.