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高速无刷直流电机控制与无传感器测速研究

时间:2017-10-30 13:33:00   来源:本网   添加人:admin

  高速电机具有体积小、功率密度高、可直接驱动高速负载等优点,在航空航天航海测试平台及导航系统、机械加工的高速磨削、铣床设备和医疗器械等领域中得到广泛应用。传统的高速驱动电机如直流电机、异步电机和同步电机,存在结构复杂或效率较低等不足。而近几年发展起来的无刷直流电动机(BLDCM)是一种用电子换相装置代替机械换相装置(电刷和换相器)的新型直流电动机,通常采用永磁体转子,因此没有激磁损耗;其发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上,热阻较小,散热容易,BLDCM具有效率高、过载能力强、无换向火花等优点,是高速电机的一个重要发展方向。

  目前,在一些特殊领域(如陀螺电机中>对电机体积、连线的数目、可靠性等方面的要求严格,而外加传感器大都对环境条件很敏感,如振动、潮湿和温度变化等都会降低其性能,因而难以保证整个传动系统的可靠性。而且,传感器大大增加了电气连接线数目,给系统抗干扰设计带来了困难。因此,在这些特殊领域生,研究方向为惯性仪表和电机控制技术。

  中,无位置传感器BLDCM成为理想选择。目前永磁无刷直流电机已广泛应用于国民经济的各个领域,而BLDCM正沿着机电一体化的方向发展,即传统的电机与电力电子电路、微处理器及其控制软件集成为一个应用系统。随着电力电子技术、控制技术的迅速发展,1MS320LF2407A主频已达到40MHz,使得无位置传感器算法更易于实现,可很好地实现无刷电机的无传感器控制。用DSP实现无位置传感器控制成为当前研究的热点,所以,低成本DSP无位置传感器无刷电动机将成为BLDCM的发展方向和趋势。

  2控制和测速系统示出基于DSP的高速无位置传感器BLDCM控制和测速系统总体工作框图。本系统中电机采用两相铷铁硼永磁式无位置传感器BLDCM. 2.1两相BLDCM工作原理示出两相永磁无刷直流电动机运行原理。

  双H桥-一相导通正交两相四状态如图所示,电机米用双H桥一相导通两相正交四状态工作方式。每隔1/4周期换相一次,对应的晶VT4―VT7,V,当VT1,VT2导通时,对应电机的A相正相导通,电流通过VTp从A相正端流入,又经过VT2,从A相负端X流出。VT3和V,VT5和VT4,VT7和VT6分别对应B相正相导通,A相负相导通,B相负相导通。

  2.2电机速度检测方案的确定字、模拟混合法测速原理图。图中u1是稳定运行下电机的电动势经过放大整形后得到的方波信号,该方波信号的频率为f,通过计数控制,在方波信号的正半周期,计数器对标准时钟脉冲u2进行计数,在方波下降沿停止计数,并将计数器中的数字量m存入锁存器,然后清零计数器,为下一个周期计数作准备。只要对锁存器中的数字量进行数-模转换,并用除法电路求其倒数,即可得到与电动势频率成正比的模拟电压信号,也即测得电机的转速n.数模混合法测速的原理图由电机学理论很容易得到锁存器中m和n的关系式为:显然,只要测得与电动势频率成比例的模拟电压信号,即可检测到电机转速。

  3硬件设计本系统的样机转子磁钢采用铷铁硼永磁材料,三对极,定子绕组为两相正交接法。系统硬件设计主要包括功率驱动电路及主电路设计;反电势信号检测电路设计;逻辑合成和功率驱动电路设计;锁相环电路设计;光电隔离电路设计;速度检测电路设计及电源设计。

  3.1功率驱动及主电路的设计示出功率驱动及主电路图。在本文的稳速系统中,电机采用“一相导通两相正交四状态”的运行方式,电机每转过360°电角度,定子共有4种磁势状态,互差90°电角度,功率管的导通顺序依次为VT1,VT2―VT3,VT8―VT5,VT4―VT7,VT9,VT6.功率驱动及主电路。2反电势信号检测电路在电机端电压信号中,不仅包含电机反电势信号,而且含有斩波信号,斩波信号会严重干扰反电势波形,使过零点不明确,无法对其进行检测。因此,必须对从电机定子端直接采集的电压信号进行滤波。滤波后的信号再进行过零比较、光电隔离后分别进的频率输入端。示出反电势信号检测电路。

  3.3逻辑合成电路DSP输出的信号是只与电机的两路反电势信号及其过零点相关的方波信号。要将其变为驱动电机的信号,还需要经过逻辑合成电路。该电路由逻辑合成集成电路芯片GAL16V8D来实现。表1给出两路相反电势与功率管的导通关系。

  表1相反电势与功率导通关系器的两个输出端和u2系统软件流程图示出PLL电路,Ri端输入为时钟基准,由产生,Vi端输入信号为反电势信号经过滤波、过零检测后得到的频率信号,VDi和锁相环电路Ui分别代表鉴频鉴相3.5数模混合法测速实际电路在所示的数模混合法测速原理图中,计数器和计数器控制均可用常规的数字集成电路构成,其中锁存允许信号和计数器清零信号可由单稳触发电路产生。示出数模混合除法电路。

  数模混合法测速实际电路。6光电隔离需要光电隔离的地方有3处:①DSP输出信号与驱动电路之间用6N137作为隔离芯片;②相反电势信号经处理后得到的是模拟量,反馈到DSP时需要采用线性光耦来隔离,这里选用精密线性光耦HCNR200;③IR2130的9脚故障输出端与DSP的PDPINTB端口之间的隔离采用TLP521-1芯片。

  3.7电源电路系统中需要的电源有+15V,+12V,+5V,+3.3V,-5V,-12V,而系统提供的电压为+28V,所以其它电源需要用电路或集成元件来获得。

  4软件设计本文所研究的无位置传感器BLDCM速度控制系统中,系统微处理器采用TMS320LF2407A,对它的软件编程涉及到基准频率脉冲信号的产生、PWM脉冲波的产生、电压的测量与闭环调节、反馈信号的捕捉、故障的检测,同时包括了对存储器空间、时钟源模块、事件管理器(EVM)模块、数字输入/输出模块、看门狗等资源的操作。示出系统软件的主流程图。

  5试验通过对该样机进行空载闭环试验可以得到,起动电流小于0.5A;工作电流为0.16A;起动进入锁相时间小于6s.电机稳定运行后,采用跟踪示波器对电机采样信号频率进行测量,经过计算和分析可得出该系统转速稳定度小于0.01%;采用测速模块直接实时测量转速,经过计算可得测速相对误差为1.5>40-4,满足系统要求。

  6结论通过对上述系统的设计和分析,对高速无刷直流电机基于DSP技术的PWM锁相稳速控制和无传感器模块化测速进行了研究,为电机高精度稳速控制以及无传感器模块化测速、全数字化无传感器测速提供了一定的借鉴和。随着DSP功能逐渐强大,其工作速度越来越高,这些都为深入研究电机的控制和测速创造了必要的条件。