“反電動勢法”永磁直流無刷電機控制系統(tǒng)設計

O 引言
永磁直流無刷電機(BLDCM)是一種典型的機電一體化電機，除了有普通直流電機調試性能好、調速范圍寬和調速方式簡單的特點外，還有功率因素高、轉動慣量小、運行效率高等優(yōu)點，特別是由于它不存在機械換相器與電刷，大大的減少了換相火花，機械磨損和機械噪聲，使得它在中小功率范圍內得到了更加廣泛的應用，是電機的主要發(fā)展方向之一。
對于永磁直流無刷電機的控制方式，可以分為兩大類：有位置傳感器控制方式和無位置傳感器控制方式。典型的有位置傳感器控制方式是使用霍爾傳感器控制方式。無位置傳感器控制方式是目前比較廣泛使用且較為新穎的一類控制方式，包含有：反電動勢控制方法、磁鏈計算法、狀態(tài)觀測器法和人工神經網絡(ANN)控制法等。反電動勢控制方法中對驅動橋和電機在外電路過流時的保護極為重要，對軟件發(fā)生錯誤動作時負載的保護也提出了較高的要求，本文采用反電動勢控制方法，以直流無刷稀土電機為研究對象，設計了兩個電流保護模塊和一個數字邏輯保護電路，提高了系統(tǒng)工作時的安全性，具有較大的研究意義。

1 控制系統(tǒng)總體設計
本系統(tǒng)采用PWM反饋控制方式的典型閉環(huán)調速系統(tǒng)其中還創(chuàng)新性的加入了邏輯保護電路和兩路電流保護電路，控制系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。由轉速參考值n0與實際轉速的反饋值n相比較，得到的偏差送到轉速控制器，經過相應的計算后輸出控制信號到PWM控制器，PWM控制器則產生三相橋試逆變器主開關的控制信號，然后由主開關完成對永磁無刷直流電機定子電流的通斷，并產生平均意義上旋轉的定子電樞合成磁勢，由定子電樞合成磁勢帶動永磁體轉子旋轉，實現(xiàn)了永磁無刷直流電機的自同步控制。
研究對象永磁直流無刷稀土電機將磁體粘貼到轉子鐵心表面，組成所謂的隱極式轉子結構。其定子三相對稱繞組采用整距、集中繞組，無中線引出線，由電機學原理可知反電動勢的波形為一梯形波，而且電機中A、B、C三相是對稱的，它們的反電動勢只在相位上依次落后120度。再考慮到定子每相繞組的反電動勢正比于轉子角速度，有圖2所示關系。

由此得出反電動勢法控制規(guī)律的重要結論為：通過測量反電動勢獲取轉子位置信號，并不是測量反電動勢大小，而是反電動勢的過零點信號，當反電動勢出現(xiàn)過零點后再延時30度電度角就是轉子電流下一次換相時刻。但反電動勢無法直接測量得到，可通過測量電機端電壓來間接獲取電機反電動勢。

2 系統(tǒng)硬件設計
該系統(tǒng)硬件電路設計重難點在于驅動逆變電路，轉子位置檢測電路和電路保護模塊三大部分。驅動逆變電路包含驅動芯片和驅動橋式電路兩個部分，驅動芯片采用IR2130驅動芯片，它是專用的三相橋式電路驅動芯片，可以直接驅動中小容量的MOSFET、IGBT、MCT等，而且只需一個供電電源，工作頻率從幾十赫茲到上百千赫茲，內部還設置有過流和欠壓保護使得在驅動功率管時更加安全可靠。