北京永光高特微电机有限公司
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小型无刷直流电动机无位置传感器控制的设计

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:292

   摘要:介绍一种用于人工心脏轴流式血泵的无位置传感器无刷直流电动机闭环调速控制系统的电路设计。利用自起动方式实现电机起动,当电机达到额定转速时进入闭环控制系统,利用反电势逻辑积分法,实现无刷直流电动机无位置传感器控制。

   在控制无刷直流电动机时,采用霍尔元件检测位置信号进行控制,安装位置传感器后,电机体积增大,成本增高,连线太多,控制信号易被干扰,传感器的任何误差会导致电枢电流增大和电机效率的降低,从而加大电机发热,并且对电机生产制造工艺要求高等,因此,本设计采用不安装传感器的泵机一体化的轴流式血泵。

1反电势检测控制策略

   无刷直流电动机相绕组的反电势是转子位置的函数。反电势的过零时刻与主开关的通断时刻存在逻辑关系,将这种关系用于三相主开关的逻辑控制信号,这就是反电势法实现无刷直流电动机无位置传感器控制的基本思路。电机开始运行时,采用开环控制方式,由自起动部分通过电子开关输入译码电路,译码后控制逆变电路驱动电机旋转,当电机转速达到额定值时,电子开关切换到反电势控制方式,由反电势信号经过逻辑处理后控制电机运行,进入闭环控制状态,在电机运行中,当出现故障时由保护电路进行切除,保护电机正常运行。无刷直流电动机主电路原理框图如图1所示。

        图l  无刷直流电动机主电路框图

2自起动部分

2.1转子定位

   为保证电机正常起动,首先要确定转子当前位置。在小型轻载条件下,对于有梯形波反电势的永磁无刷直流电动机来说,一般采用磁制动式转子定位方式。系统上电开始时,任给一组触发脉冲,在气隙中形成一个幅值恒定、方向不变的磁场,只要保证其幅值足够大,那么这一磁通就能在一定时间内将电机转子强行定位于这个方向上,这样就可以确定电机转子的初始位置,由于静止时转子位置的不确定性,如定位前恰好处于定子绕组合成磁通与转子d轴夹角为180°处,此时电机转子不会旋转,定位失败。为此可采取在第一次定位的基础上,接着导通下一个扇区,这样第二次定位一定正确。

2.2电机的自起动电路

  图2单片机电路

升频和三分频电路组成自起动电路(如图2所示)。当单片机输入Iin=O,自起动部分产生频率由低到高连续变化,相位相差三分之一周期的三相方波脉冲信号,使电机定子绕组产生逐步加速的旋转磁场,带动电机由静止开始旋转达到额定转速。达到额定转速时自启动初始化,为下一次自启动作好准备。在额定运行状况下当电机负载突然变化引起转速下降时,电路自动切换到自启动状态,控制电机恢复正常运行,因此,自启动信号设计成频率由低到高再由高到低,以适应运行状况的变化。自起动程序流程如图3所示。

 图3 单片机功能(1)程序流程图

3电子开关电路

电子开关切换控制电路(如图4所示)由速度检测芯片:MC33039监视电机转速并产生正比于电机转速的信号。该信号经过F/V转换后,与给定电压进行比较。当转速较低时,比较电路输出低电平到电子开关控制端与Iin,由自起动部分控制电机运行;当达到额定转速时,切换到反电势控制,同时将高电平信号输入单片机,使其清零,为下一次自起动做好准备。

   图4电子开关切换控制电路

4反电势逻辑控制电路

4.1反电势逻辑电平积分法的原理

电机正常运行时反电势波形如图5所示。由图中反电势ea、eb、ec与判别转子磁场位置控制信号SA,SB,Sc可见,当B相反电势正向过零后30°电角度时(t5时刻),B相逻辑控制信号SB导通;B相反电势负相过零后30°电角度时(t11时刻),B相逻辑控制信号SB关断。A相和C相控制信号与B相判别方式类似。利用过零比较器将检测的反电势信号ea、eb、ec分别转化为逻辑电平控制信号Ga、Gb、Gc,它们的正负电平分别对应反电势的正负。如图5中t1、t3、t5、t7等为三相换流时刻,t2、t4为反电势过零时刻。由波形相位可见,B相换流时刻tt与C相、B相反电势过零时刻t2、t4满足 ,在A相120°导通期,Gb为下跳沿时对一Gc积分,Gb为上升沿时对Gc积分,当两者积分速度相同,如果Ga积分值等于一Gc积分值的三分之一时,即 ,此时t5对应B相反电势正相过零后30°电角度,这时逻辑控制信号SB导通。同理,当t11时,SB截止。因此可以用反电势逻辑电平积分关系判别转子相位,实现电机逻辑电路的控制。

   图5反电势逻辑电平积分法原理图

4.2反电势过零点检测电路

如图6所示,以A相为例,电机端电压Va经过分压电路后送入滤波器,滤波后的信号Va和Vn比较后得到方波,该方波再经过光耦和施密特整形电路后得到信号Ga,其上下沿即为反电势过零点时刻。图6中Gb、Gc为另外两相信号,产生原理与Ga相同。

 图6反电势过零点检测电路

4.3反电势逻辑积分

如图7所示,将端电压检测信号Ga、Gb、Gc送人单片机电路,按照反电势逻辑积分原理对输入信号进行处理,得到MC33035正确的位置检测信号SA、SB、Sc。

    图7反电势逻辑积分部分程序流程图

5译码与逆变电路

 图8译码与逆变电路

如图8所示,采用MC33035对电机位置检测信号进行译码,产生驱动逆变桥信号,MC33035具有较强的故障检测处理报警能力、无效位置检测信号、过热等保护功能。

6实验及结论

MC33035输出控制波形如图9所示。

 

 图9 MC33035输出控制波形

电机一相电流波形,如图10所示。

    图10电机一相电流波形

电机带负载起动时转速波形,如图11所示。

   图ll  电机带负载起动时转速波形

应用无位置传感器电路控制轴流式血泵实验取得了良好的效果,电路驱动控制波形理想,电机在运行时端电压波形和负载试验符合理论分析,因此,反电势法不但可以准确控制电机运行,而且有效地减小了电机的体积。基于以上优点,无位置传感器技术在控制微小型电机应用中将会更加广阔。

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