高速無(wú)刷直流電機(jī)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用＊

陳少華，馬利嬌，賈欣雨

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，各學(xué)校在自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)等專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)方面做了大量的創(chuàng)新改革，例如增加實(shí)踐課程，將實(shí)物設(shè)計(jì)納入學(xué)生成績(jī)等。提高學(xué)生動(dòng)手能力，增強(qiáng)實(shí)踐技術(shù)是工科類專業(yè)教學(xué)改革的一個(gè)重要目的。傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)無(wú)法很好滿足學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)踐的要求，因此，建設(shè)綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開設(shè)具有自主設(shè)計(jì)、高參與性、組織協(xié)助性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)變得非常必要。

無(wú)刷直流電機(jī)作為一種體積小、密度大、轉(zhuǎn)速高的電機(jī)，被廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)、電動(dòng)汽車、家用電器等領(lǐng)域[1-2]，是工科學(xué)生就業(yè)領(lǐng)域較為常見的儀器裝置。相對(duì)于傳統(tǒng)低速無(wú)刷直流電機(jī)，高速無(wú)刷直流電機(jī)具有更高的功率密度[3]。提高電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)精度是優(yōu)化電機(jī)性能的一種重要手段[4]。傳統(tǒng)的檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法是安裝位置傳感器，例如旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾傳感器等，但是安裝位置傳感器會(huì)增加電機(jī)成本，增大電機(jī)體積，降低系統(tǒng)效率。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用無(wú)位置傳感器控制算法檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件和硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，減少了重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作量。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用德州儀器公司的TMS320F28335作為控制芯片，具有精度高、功耗低、性能佳等優(yōu)勢(shì)，是電機(jī)控制系統(tǒng)常用的控制芯片。該控制芯片提高了算法設(shè)計(jì)發(fā)揮空間，完全可以滿足高精度、大運(yùn)算量的算法實(shí)現(xiàn)。利用算法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信息，將位置信息作為反饋，控制功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷，使電機(jī)能夠穩(wěn)定快速啟動(dòng)，精準(zhǔn)換相，并且可以減小電機(jī)體積，降低成本，應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深了學(xué)生對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)控制方法的理解與應(yīng)用，教學(xué)效果良好[5-6]。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件

本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括高速無(wú)刷直流電機(jī)、電源電路、控制電路、功率逆變電路、無(wú)位置檢測(cè)電路等部分。可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器的啟動(dòng)控制、正反轉(zhuǎn)控制、換相誤差補(bǔ)償控制等。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。為降低高壓電路的操作風(fēng)險(xiǎn)，將直流電源電壓限制在48 V，電流限制在5 A，功率驅(qū)動(dòng)電路的輸出信號(hào)線采用雙絞屏蔽線，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 電源電路

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的供電由控制部分供電和功率部分供電組成，控制電主要為控制電路中DSP28335 芯片、數(shù)據(jù)采集芯片、各級(jí)比較放大器、速度控制等部分供電。控制板中采用TPS767D301 實(shí)現(xiàn)低電平轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)1.5～5.5 V 的電壓輸出。功率電部分提供功率電路的較大電流驅(qū)動(dòng)，由熔斷器、電阻、電解電容、肖特基二極管、場(chǎng)效應(yīng)管、電容、EMⅠ濾波器、電源轉(zhuǎn)換模塊等部分組成。總之，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電壓轉(zhuǎn)換電路將24 V 直流電分別轉(zhuǎn)化為+12 V、+15 V 和+5 V，從而分別為控制板、母板、驅(qū)動(dòng)板上的芯片和器件供電。

1.2 控制電路

控制電路部分，由控制芯片DSP28335、晶振、復(fù)位電路、信號(hào)采集電路等組成。TⅠ公司生產(chǎn)的TMS320C28335 芯片具有150 MHz 的高速處理能力，可實(shí)現(xiàn)32 位浮點(diǎn)運(yùn)算，自身帶有18 路PWM 輸出和12 位16 通道ADC，具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高速電機(jī)控制系統(tǒng)。

1.3 功率逆變電路

功率逆變器的主體由6 個(gè)功率開關(guān)管及其驅(qū)動(dòng)電路組成，通過(guò)PWM 信號(hào)輸入控制功率開關(guān)管按照一定的邏輯進(jìn)行開通和關(guān)斷。由控制器根據(jù)控制邏輯輸出6 路PWM 高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)施密特觸發(fā)器74HC14銳化驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，再經(jīng)觸發(fā)器優(yōu)化調(diào)節(jié)后輸出6 路信號(hào)，這6 路信號(hào)經(jīng)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電路提高驅(qū)動(dòng)能力后，分別進(jìn)入6 個(gè)TLP250 隔離光耦器件，光耦器件可以起到光電隔離和增強(qiáng)電路驅(qū)動(dòng)能力的作用，最后光耦輸出用以驅(qū)動(dòng)逆變橋功率模塊的開通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)需要反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，可通過(guò)調(diào)用不同的換相表實(shí)現(xiàn)反方向旋轉(zhuǎn)控制。另外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)流、欠壓等狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)剎車電阻讓電機(jī)快速制動(dòng)。

1.4 無(wú)位置檢測(cè)電路

無(wú)位置檢測(cè)電路由低通濾波電路、功率放大電路和隔離電路組成，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)可直接從電機(jī)三相端獲得，電機(jī)輸入的三相位置信號(hào)先經(jīng)過(guò)一階低通濾波電路進(jìn)行濾波。一階低通濾波電路的引入將導(dǎo)致位置檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)延時(shí)，為了在程序中進(jìn)行相位誤差補(bǔ)充，將離線采集的位置誤差與轉(zhuǎn)速的關(guān)系記錄在數(shù)據(jù)表格中，當(dāng)采用不同的低通濾波電路時(shí)，直接調(diào)用不同的補(bǔ)償角度數(shù)據(jù)表，靈活快速地?fù)Q相誤差補(bǔ)償。采用LM393 功率放大器放大功率進(jìn)入HCPL2630 隔離光耦后，輸出包含電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息的HALLA、HALLB、HALLC 信號(hào)。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)設(shè)置電機(jī)PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)。將電機(jī)轉(zhuǎn)子1 個(gè)電周期分為6 個(gè)工作作態(tài)，每個(gè)工作狀態(tài)為60°，當(dāng)檢測(cè)到換相信號(hào)上升沿時(shí)，需根據(jù)不同的低通濾波器設(shè)計(jì)值選擇不同的補(bǔ)償角度，實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)換相誤差補(bǔ)償。

2 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

利用上述模塊化電路搭建高速無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由一臺(tái)高速200 W無(wú)刷直流電機(jī)、控制電路板、功率逆變電路板、無(wú)位置檢測(cè)電路板、開關(guān)電源、仿真器、PC 機(jī)及示波器組成。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建完成之后，可以完成不同截止頻率下的電機(jī)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)和不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)換相誤差及補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)流程如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

無(wú)位置檢測(cè)電路主要由低通濾波器、功率放大電路和隔離電路組成，低通濾波器的主要作用是通低頻，阻高頻，選擇合適的低通濾波器既可以濾除高頻干擾又可以防止相位延遲太大導(dǎo)致啟動(dòng)失敗，因此低通濾波器截止頻率的選取對(duì)于電機(jī)換相的準(zhǔn)確性影響很大。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以通過(guò)選取不同的電容電阻改變截止頻率，觀察不同截止頻率對(duì)延遲角度的影響，從而選取合適的截止頻率的低通濾波器。不同電路參數(shù)配置不同濾波器，讓學(xué)生們動(dòng)手選取可以加深學(xué)生們對(duì)低通濾波器對(duì)于電機(jī)啟動(dòng)的影響的理解。截止頻率為47.74 Hz 時(shí)，電機(jī)在無(wú)位置傳感器模式下的啟動(dòng)波形如圖3 所示。由圖3 可知，在無(wú)位置傳感器啟動(dòng)階段，由于換相誤差導(dǎo)致啟動(dòng)電流較大，當(dāng)啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束后，電機(jī)換相準(zhǔn)確，相電流較小。此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生可先仿真不同截止頻率下滯后角度與截止頻率的關(guān)系，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，很好地鍛煉了學(xué)生的仿真與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

圖3 無(wú)位置傳感器模式下啟動(dòng)波形

由于無(wú)位置電路板低通濾波器的引入，將導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)出現(xiàn)相位滯后，因此需要進(jìn)行電機(jī)相位補(bǔ)償。根據(jù)觀察換相前后電機(jī)相電流波形的變化可以判斷出電機(jī)換相超前或滯后，進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6 所示。

圖4 換相超前時(shí)相電壓與相電流波形

圖6 換相準(zhǔn)確時(shí)相電壓與相電流波形

由圖4 中的波形可以看出，當(dāng)換相超前時(shí)，相電壓和相電流波形出現(xiàn)畸變，影響電機(jī)效率。由圖5 中的波形可以看出，當(dāng)換相超前時(shí)，相電壓和相電流波形同樣會(huì)出現(xiàn)畸變，電流波形畸變位置與超前時(shí)相反；當(dāng)換相滯后時(shí)，同樣降低了電機(jī)運(yùn)行效率，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致電機(jī)換相失步。由圖6 中波形的可以看出，換相準(zhǔn)確時(shí)，電壓和電流波形在正負(fù)半軸對(duì)稱，電機(jī)運(yùn)行效率較高。

圖5 換相滯后時(shí)相電壓與相電流波形

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)專業(yè)的電機(jī)控制課程，分析了高速無(wú)刷直流電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。分析了不同截止頻率對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電機(jī)無(wú)位置啟動(dòng)時(shí)換相誤差補(bǔ)償控制。整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)清晰、成本較低。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可利用本套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展課程實(shí)踐設(shè)計(jì)、創(chuàng)新思維訓(xùn)練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目等多層次項(xiàng)目，達(dá)到應(yīng)用型專業(yè)教學(xué)實(shí)踐目的。