無刷直流電機控制器的研制

宋宏彪 尹慧 黃山芳 彭航 許輝

摘要：無刷直流電機去掉了產生很大損耗的機械換相，即電刷和換向器，維修簡單，使用壽命長。本文研制了一款無刷直流電機控制器，設計了控制器電源電路，霍爾信號捕獲電路，MOS管驅動電路，電流采樣電路，反電勢端電壓檢測電路，采用基于反電勢的換相方式，編寫了無刷直流電機的控制程序，進行了試驗驗證。試驗結果表明，無刷直流電機運行平穩，試驗結果與預期相符，對工程實踐具有參考價值。

關鍵詞：無刷直流電動機;電子換向;電機控制

1 引言

無刷直流電機實現了不依賴于機械換向結構也能換相的功能，同時具有調速控制良好的直流電機系統的特點和交流電機系統的可靠工作，組件更簡單，操作維護更簡單。無刷直流電動機的優勢如下幾點[1]：

（1）將機械換相改成電子換相，降低了噪音。

（2）速度調節范圍寬，永遠保持全功率運行。

（3）外部特性良好，即使系統低速運轉，也能輸出比較大的扭矩。

（4）導通相的控制簡單。

由于無刷直流電動機需要使用位置傳感器，所以它的進一步應用受到了局限。由于硬件重建電動機的中點電壓不一定等于實際電動機中點電壓，并且無刷直流電機具有漏磁通，波形的峰頂寬度一般小于120°，因此，對位置傳感器進行控制在這里產生困難，文獻[2-3]提出了一種反電勢換相控制方法，可以很好地實現無霍爾傳感器控制，本文采用無霍爾傳感器軟件控制策略，基于反電勢換相法實現換相。

2 無刷直流電機控制系統的硬件設計

本文研制的無刷直流電機驅動控制系統的硬件控制框圖。無霍爾時依靠反電勢信號換相，首先將三相電壓采樣信號與軟件的虛擬中點電壓進行比較，根據各相的比較值，得到過零點比較值，給定換向信息。換向信息包括轉子的對應位置等。該信息經處理之后，才能得到換流信號和PWM調制信號，IR2110S芯片提高信號的驅動能力，給系統提供換相調制信號，以確保電機的正常運轉。

（1）控制器電源電路設計

控制器15V電源是采用穩壓芯片MC7815從24V供電電壓轉換而來的，主要是用來驅動IR2110S芯片;5V電源從由電平調節芯片LM2576從24V電源電壓轉換而來。該穩壓芯片只需要很少的外圍設備。所以電路較簡單，但它的可靠性很高，工作效率也很高，主要用于驅動74HC14六相施密特反相器和LM358運放電路等，其中VCC為5V。

（2）霍爾信號捕獲設計

電機的霍爾信號需要輸入上拉電壓VCC以獲得輸出信號。霍爾傳感器先會對電機定子和轉子的相對位置進行檢測掃描，然后輸出位置信號，但是霍爾傳感器傳輸出來的信號是斷續不夠理想的，這里使用了74 HC14六路施密特反相器芯片，將信號進行放大整形，以避免矩形波失真不理想，避免上升沿及下降沿波形產生抖動。此外，可以緩沖霍爾信號，并且霍爾信號在轉換之前保持不變。此外，把輸出中的一路信號連接到輸入端，經過兩次取反，從而使得到的信號更理想更優質。所獲得的方波信號用于觸發無刷直流電動機的控制器，實現電動機換向。

（3） 基于IR2110S的驅動模塊設計

使用IR2110S驅動三相逆變橋的晶體管，該驅動芯片的開通時間是120ns，關斷時間是94ns，輸出和輸入不僅同相且延遲很小不超過10ns。

IR2110S芯片需要輸入兩路信號用來驅動通路，即需要兩路PWM信號驅動所述相同相。兩個波形應該分別通過IR2110S，增加電壓（本設計中為15V）、電流的驅動能力，然后驅動所述三相逆變器橋電路的一個相的上臂或下臂。來控制電機的定子繞組的導通。

（4）電流采樣模塊設計

由于當出現過電流時，采樣電阻上的電壓會增大，所以我們將采集電流轉換成檢測采樣電阻上的電壓，通過LM358芯片進行放大。由于電壓跟隨器運算放大器電路具有輸入阻抗高并且輸出阻抗低的特點，并且要檢測的電壓幅值很小，該運算放大器使用在此電路中非常合適。電壓信號經過放大后一邊反饋給驅動芯片，一邊作為電壓比較器的輸入信號作為硬件故障信號。假設電路自己保護失敗，還可以人為切斷電源避免加大損失。

（5） 反電勢端電壓檢測設計

采集三相端電壓信號，輸入到處理器，再與虛擬中點電壓值進行比較，通常虛擬中點電壓值是對該時段檢測電壓取平均值，比較后組成三位有效反電勢信息，獲得過零點換相控制信號，以此控制電機換相運行。

3 基于反電勢換相的軟件設計

基于反電勢運行的程序流程為，初始化完成后，掃描電機控制按鍵是否按下，如果按下，進行下一個進程;如果掃描結果為未按下，掃描電機方向變化按鈕是否被按下，若按下就改變電機運行方向，如果沒有按下，返回到掃描控制按鈕的狀態。

當電機控制按鍵按下后，判斷電機是否完成啟動，完成啟動則進行下一個進程，反之則程序循環定位直至檢測到反電動勢為止。

電機啟動完成后進入運行狀態，進入ADC采樣中斷程序，比較得到反電勢信號，進入過零點檢測換相程序，換相完成后，掃描電機控制按鈕有沒有第二次按下，按下了就重載PWM為低電平，回到第一步判斷電機控制按鍵的狀態;如控制按鍵沒有再次按下，則電機繼續運行，循環采樣比較得到換相信號進行換相。

4 總結

本文設計研制了一款直流無刷電機控制器。控制器可以采用無霍爾位置傳感器控制，基于反電勢換相的控制策略，試驗結果表明，設計出的控制器能夠可靠換相，試驗結果與預期相符，對于工程實踐具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]郭慶鼎.直流無刷電機原理與技術應用[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]胡延奇，范永坤，熊臘.一種新的無刷直流電機反電動勢檢測方法[J].微電機，2015，48（2）：49-53，61.

[3]李鳳祥，徐浩，袁野，等.無刷直流電機無位置傳感器轉子位置辨識策略[J].電工技術學報，2014，29（12）：107-112.

作者簡介：宋宏彪，男，漢，湖南懷化，1986.11，碩士，工程師，懷化學院，湖南省懷化市，研究方向：現代電力電子技術及系統。

資助項目：農業無人機用高速無刷直流電機無位置傳感器控制策略的研究，2020，武陵山片區生態農業智能控制湖南省重點實驗室科研項目，項目編號：ZNKZN2020-5。