永磁无刷直流电动机(BLDCM)是一种典型的机电一体化电机,除了有普通直流电机调试性能好、调速范围宽和调速方式简单的特点外,还有功率因素高、转动惯量小、运行效率高等优点。特别是由于它不存在机械换相器与电刷,大大地减少了换相火花,机械磨损和机械噪声,因而无刷直流电机的应用范围相当广泛。同时,现代电力电子技术和永磁材料的发展又为其发展提供了基础,因此BLDCM具有很强的生命力和发展前途。对于BLDCM的控制方式可以分为两种:有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。典型的有位置传感器控制方式是使用霍尔传感器控制方式,无位置传感器控制方式作为一种新的控制方式,其中有:如反电势法、电感法、三次谐波法、状态观测器法等。
反电动势控制方法线路简单,技术成熟成本低,但也存在一些缺点,如:电压比较器对被检测信号中的毛刺,噪声敏感;滤波器的实际延时角度随电机转速而变,需要根据不同转速做相应补偿等。本文采用反电动势控制方法,以直流无刷稀土电机为研究对象,设计了驱动控制电路和反电势过零检测电路,提高了系统工作时的安全性和稳定性。
1控制系统总体设计
控制系统原理如图1所示。主要由无传感器无刷直流电机、反电势过零检测电路、电流检测电路、驱动逆变电路和以Atmega64为核心的MCU控制器等5部分组成。Atmega64芯片具有较高的信号处理速度和较强的稳定性,可以实现电机高精度、高效率的全数字控制,且控制灵活,抗干扰能力强。
由于驱动器采用三相逆变桥,为了使电机的出力达到最大,逆变桥的换向时刻与转子的磁极位置应保持对应关系。当转子磁极采用纺锤形转子形状时,其反电势波形为正弦波,表达式为e=kXsin(pH),其中p为极对数。而且电机中A、B、C三相是对称的,它们的反电动势只在相位上依次落后120度。转子位置与反电动势关系如图2和图3所示。
由此得出反电动势法控制规律的重要结论为:通过测量反电动势获取转子位置信号,并不是测量反电动势大小,而是反电动势的过零点信号,反电动势出现过零点后再延时30度就是转子电流下一次换相时刻但反电动势无法直接测量得到,可通过测量电机端电压来间接获取电机反电动势。