北京永光高特微电机有限公司
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采用ADuC812的无位置传感器BLDCM控制系统

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:6474


   摘要:在全面分析研究了无位置传感器无刷直流电动机运行方式的基础上,阐述了反电势过零检测、相位判断及相位补偿的原理及实现方法,并且为了在较宽的范围内提高无刷直流电动机的调速性能,系统采用高性能ADuC812(兼容8052内核)单片机作为微处理器,实现数字转速闭环控制。

1引  言

   无刷直流电动机(以下简称BLDCM)具有体积小、重量轻、高效节能以及易于维护等一系列优点,在许多场合成功替代直流有刷电动机。而无位置传感器BLDCM更具有结构简单、可靠性高和可维护性强等优势,使得它在近几年得到了飞速发展。

   目前,对于无位置传感器BLDCM的控制已有一些专用的集成电路。如Philips公司生产的双极性集成电路TDA5142T,Micro Linear公司运用锁相环技术设汁的ML4428等。从专用无位置传感器BLDCM控制芯片的功能与特性上来说,基本上满足系统控制要求,简化了无位置传感器BLDCM的控制,不仅具有限流和保护功能,而且闭环控制也基本满足系统调速性能要求。但是这些专用芯片可扩展性和通用性较低,同时专用芯片使用研究的文章资料较少,调试困难。另外,这些专用芯片在国内不易买到,价格较贵,因此不利于以后向市场推广。因此本文控制系统采用以微处理器为控制核心,这使得控制系统的可扩展性、灵活性、适应性以及参数的可修改性得到了满足。

2系统电机

   电机本体采用NdFeB稀土永磁电机,定子三相整距绕组,转子一对极结构。另外,在电机的定子制造工艺上,也采用了先进的无槽设汁,从而消除了电机的齿槽效应,有助于电机外同步起动;并减少了电机的损耗,提高了电机运行效率,在一定程度上减小了转矩脉动。具体数据如下:额定电压36V(DC),额定功率30W,效率≥70%,额定转速30 000 r/min,调速范围3 000 r/min~35 000 r/min(无级)。

3控制系统设计

3.1数字式速度闭环调速系统总体框图

   系统采用PWM调速方式,主功率电路是三相全桥星形电路。电机运行以“两相导通三相六状态”方式运行。控制方式以单片机为核心处理系统的速度数字PI闭环控制、相位判断和补偿以及串行LED转速实时显示等功能。转子位置检测采取反电势过零检测 。系统结构框图如图1所示。

 

图1  无位置传感器BLDCM数字式速度闭环调速系统总体框图

3.2主控单片机ADuC812

   ADuC812采用了MS51内核,但在集成度上远高于其它MS51系列单片机,不但集成了高速、高精度A/D与D/A;还集成了8k Flasll/EE ROM,软件仿真时在线刷新(不需要开发机),调试方便;另外,还集成大容量RAM、Data ROM。这些使得运用ADuC812在设计硬件电路时,控制电路大大简化,可靠性提高,调试方便。最大的缺点在于它仍然使用MS51指令集。

   由于本系统控制对象为无位置传感器BLDCM,反电势检测信号要送到单片机,经相位补偿后输出。在此期间,单片机要对位置信号的变化作出及时反应,所以现采用外部中断模式,以保证对反电势检测信号的及时处理。现将反电势信号经如下逻辑合成处理:INT0 = HA·HB + HA·HC + HB·HC

式中:HA、HB、HC、一 三相反电势检测电路输出信号。    

   处理后的信号送至单片机的INT0这样将在合成信号的下降沿触发外部中断INT0。但是当上升沿到来时却触发不了中断,为了达到上升沿也能触发中断,把合成后的信号INT0取反至单片机的INT1这样,当逻辑合成信号上升沿到来时,将触发外部中断INT1。采用这种构思,当三相反电势信号任一发生变化(上升沿或下降沿到来)时,不是触发INT就是触发INT就能保证对三相反电势信号的及时处理,

3.3位置检测电路

   位置检测选用技术较成熟的反电势过零检测。反电势检测电路须选择性能优越的低通滤波器(LPF)。在本调速系统中,电机凋速范围从3 000 r/min一35 000 r/min,要保证系统稳定运行,LPF输出不仅要准确,不能漏掉过零点,也不能增加过零点;而且相移要小,最好不超过30°电度角(如果滞后超过30°电角度,对软件设计中相位补偿部分将造成较大困难)。

   反电势检测一相原理电路图如图2所示。反电势滤波电路采用二阶无限增益多路反馈。其中运放U1及电阻R1、R2、R3、电容C1、C2组成二阶有源滤波器。电压比较器U2、电阻R5组成过零检测电路,将反电势波形转换为方渡,再通过光电耦合输出到ADuC812的P0口。

    图2电势检测A相原理电路图

 需要注意的是需合理选择电阻R2、R3、C2的值,使得电机在最高转速下相移最好不超过30°电度角。

3.4 PWM调制及逻辑合成电路

如图3所示,PWM发生器采用美国通用公司的脉冲调制器SG3525A,开关频率可达200 kHz以上,适合于驱动N沟道MOS功率开关管。它主要包括5 V基准电源、误差放大器、锯齿波振荡器、欠压锁定、慢启动、输出限流及脉宽调制比较器。输出脉冲频率由R8、R9及C3决定。

 图3 PWM凋制及逻辑合成电路图

   经对系统分析后,选择PWM振荡频率为16kHz,设计中将SG3525的l脚和9脚短接,使得其内部的误差放大器接成电压跟随器模式,再将单片机D/A输出接至2脚。这样,PWM的占空比就由2脚的电压控制。SG3525的PWM输出是两路互差180°的互补信号,每一路最大的占空比为50%一这两路PWM信号接至U5(GALl6V8)中,与补偿后的位置信号PA、PB、PC、BH(保护信号)及KC(开机信号,低电平有效)等信号进行逻辑合成,生成六路功率开关管栅极动作信号.而后经ULN2003驱动电路(U6起到反相、电流放大的作用),助推后送至功率驱动电路

3.5功率驱动电路

   功率驱动电路的主控芯片采用IR2130,电路如图4所示。IR2130的六个输入信号(图4中G1~G6)中任何一个为逻辑低电平时,相应的输出为高电平,以驱动功率管M0SFET。IR2130采用单电源(15 V)供电,其内部带有欠压保护电路,当电源低于8.9 V时,所有输出信号将关闭。另外,每一个高侧输出都设有一个欠压自锁电路,当高侧悬浮偏压源低于8 2 V时,则高侧输出信号被封锁。悬浮偏压源由自举二极管D1~D3,自举电容C10~C12构成。自举电容值的大小取决于功率M0SFET的开关频率及最大开通时间。

 图4功率驱动电路图

   同时,为保护功率M0SFET,当主功率电路出现短路、过流故障时,IR2130应封锁六个输出驱动信号。现将主功率母线上串一取样电阻,并通过分压网络W1、R16接至IR2130的9 脚,当9脚电压超过O.5 V时,IR2l 30的8脚(故障输出)OC门变为低电平,输出故障信号FLT,送至U5(BH),以封锁功率开关管的六个驱动信号S1~S6。当调节电位器W1时,也就调整了保护电流整定值。

   IR2130的输出阻抗很小,可以快速开关功率MOSFET。这样,MOSFET漏源极电压上会产生剧烈振荡,而带来不希望的射频干扰和使dV/dt增大。为此。在栅极上串一无感电阻以降低振荡,通常来说,如果栅极电阻增大,开关时间变长,开关损耗增大,但尖峰电压和电流减小;当栅极电阻减小时,所带来的影响与之相反。

3. 6主功率电路

   功率主电路原理图如图5所示。在该系统中,主电路为三相全桥结构,无刷直流电动机星型接法,以“两相导通三相六状态”方式运行,即每~状态中有两相绕组通电(两只功率管导通,一上一下),每只功率管导通120°电角度,每过60°电角度,有一只功率管切换.电机每转过:360°电角度,共有六种磁

   图5功率主电路原理图

   正转时(顺时针),六只功率管(MOSFET)导通顺序为T1、T6、T1T2、T3T2、T3T4、T5T4及T5T6;反转时(逆时针),导通顺序为T1T6、T5T6、T5T4、T3T4、T3T2及T1T2,因而每当电机运行360°电角度时,定子就有六种磁势状态,互差60°电角度,呈跳跃式、不连续。

4结语

在上述电路构成的电路基础上,同单片机实现软件PI控制,最终在测试中取得满意的闭环特性。整个系统的的优越性表现为:

   (1)系统电路整体结构紧凑、可靠性高、调试方便。

(2)本系统中电机转子位置检测方法采用电机反电势交叉过零法。反电势测电路输出的位置信号波形清晰、整洁,没有多余的尖脉冲或宽脉冲,并且占空比保持为50%,这说明了反电势检测电路滤波电路设计是比较成功的。如图6、7所示。

   (a)n = 35000r/min   (b) n = 22000r/min

   图6A绕组反电势及反电势检测电路输出波形图

   (3)采用IR2130为功率驱动核心,一片就可驱动六只功率MOSFET,驱动电路可靠、安全,并且具有过流关断以及欠压保护。

   (4)由于采用新型高集成度的单片机ADuc812为控制核心,其内部集成r EEPROM、A/D、D/A,使得主控电路的设汁得到了极大简化。

   (5)由于采用反电势过零检测转子位置,因而必然存在当电机在停转或转速过低时,反电势无法检测。在本系统中,采用了三段式起动方法,经过精心调整后,使得电机外同步起动可靠、稳定。

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