無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制的簡易方法

無刷直流電機(jī)具有體積小、重量輕、維護(hù)方便、高效節(jié)能、易于控制等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的無刷直流電機(jī)大多以霍爾元件或其它位置檢測元件作位置傳感器，但位置傳感器維修困難，且霍爾元件的溫度特性不好，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性變差。因此，無位置傳感器無刷直流電機(jī)成為理想選擇，并具有廣闊的發(fā)展前景，但它的控制電路相當(dāng)復(fù)雜。M L4428控制芯片的出現(xiàn)，簡化了控制電路的設(shè)計(jì)，該芯片內(nèi)部含有反電勢檢測電路、起動(dòng)換向邏輯電路和保護(hù)電路，使控制器芯片只需外接少量的阻容元件就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無刷電動(dòng)機(jī)的控制。

2.M L4428原理圖及功能實(shí)現(xiàn)

M L4428電機(jī)控制器不用霍爾傳感器就可為Y形無刷直流電機(jī)(BLDC)提供起動(dòng)和調(diào)速所需的各種功能。它采用28腳雙列表面SO IC封裝，它的內(nèi)部框圖如圖1所示使用鎖相環(huán)技術(shù)，從電機(jī)線圈檢測反電勢，確定換向次序采用專門的反電勢檢測技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)三相無刷直流換向且不受噪聲及電機(jī)緩沖電路的影響采用了檢查轉(zhuǎn)子位置并準(zhǔn)確對(duì)電機(jī)加速的起動(dòng)技術(shù)，確保起動(dòng)時(shí)電機(jī)不會(huì)反轉(zhuǎn)并可縮短起動(dòng)時(shí)間。

2. 1反電勢檢測信號(hào)的獲得

無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制與有位置傳感器無刷直流電機(jī)控制的最根本區(qū)別就是利用反電勢的波形尋找最佳換向點(diǎn)。當(dāng)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各相繞組的反電動(dòng)勢(EM F )與轉(zhuǎn)子位置密切相關(guān)。由于各相繞組是交替導(dǎo)通工作的，在某相不導(dǎo)通的時(shí)刻，其反電動(dòng)勢波形的某些特殊點(diǎn)，可代替轉(zhuǎn)子位置傳感器的功能，得到所需要的信息。

由于對(duì)于單相反電動(dòng)勢波形圖，反電動(dòng)勢過零點(diǎn)延時(shí)30°處對(duì)應(yīng)繞組的換向信號(hào)，找出反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，即反電動(dòng)勢檢測的任務(wù)[2 ].基于這一原理，在該芯片內(nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)特的反電勢檢測電路(見圖2)，由于有了中點(diǎn)模擬電路，不需從電機(jī)三相繞組中引出中線[1 ].其中多路轉(zhuǎn)換器開關(guān)依次接入產(chǎn)生反電動(dòng)勢的繞組，比較中點(diǎn)模擬器與多路轉(zhuǎn)換器的輸出，可以得出兩路輸出波形相似，幅度不同，唯一的微電機(jī)2001年第34卷第1期(總第期)交叉點(diǎn)即反電動(dòng)勢過零點(diǎn)。這兩路輸出通過右邊的比較器輸出為轉(zhuǎn)子當(dāng)前的相位信號(hào)，決定換向頻率(V CO )的增減，換向頻率與采樣反電勢相位比較，落后的換向使誤差放大器向環(huán)路濾波器充電，從而增大輸入。相反，提早換向?qū)?huì)引起環(huán)路濾波器上電容放電，使VCO輸入減少。利用此鎖相環(huán)技術(shù)，獲得適當(dāng)?shù)膿Q向時(shí)刻。此外，從RC腳取出的信號(hào)是代表電動(dòng)機(jī)速度的電壓信號(hào)，可用于閉環(huán)速度控制。速度的頻率信號(hào)可由監(jiān)視V CO的輸出來得到，它是鎖相環(huán)鎖定到電機(jī)準(zhǔn)確的換向頻率的信號(hào)。2. 3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

內(nèi)部的調(diào)速系統(tǒng)是典型的直流電機(jī)PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如圖4所示，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出控制開關(guān)器件。這樣組成的雙閉環(huán)系統(tǒng)，在突加給定的過渡過程中表現(xiàn)為一個(gè)恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中又表現(xiàn)為無靜差調(diào)速系統(tǒng)，即發(fā)揮了轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器各自的作用，又避免了像單環(huán)系統(tǒng)那樣兩種反饋互相牽制的缺陷，從而獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

2. 4內(nèi)部保護(hù)電路

M L 4428內(nèi)部具有電流檢測和限流功能。外部功率元件M O SFET的源極電流流過R得到與無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制的簡易方法雍愛霞孫佩石電動(dòng)機(jī)繞組電流成正比例的電壓，經(jīng)環(huán)路濾波器(該濾波器能濾除觸發(fā)單穩(wěn)電路的噪聲尖峰電流，一般選樣在時(shí)間常數(shù)300ns以內(nèi))到電流比較器的正端引腳)，比較器的負(fù)端有鉗位電壓為0. 5V的二極管，因此可以限制電機(jī)定子電路的最大峰值電流當(dāng)電流檢測電路的電壓高于比較器負(fù)端電壓時(shí)，單穩(wěn)態(tài)電路被觸發(fā)，關(guān)斷輸出M O SFET，電流下降，直至單穩(wěn)電流被復(fù)位。

M L4428正常電源供給為 12V，在電源低于時(shí)， 6個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器將全部關(guān)斷。

3結(jié)語

采用控制器芯片，簡化了無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制，它不僅具有良好的限流和保護(hù)功能，而且用M L 4428構(gòu)成的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能也將得到改善，采用該控制器芯片，解決了利用反電勢檢測實(shí)現(xiàn)換向及低速時(shí)開環(huán)起動(dòng)這一難題，實(shí)驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能齊全，提高了系統(tǒng)的可靠性。該方法對(duì)直流無刷電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義。

2. 2起動(dòng)換向技術(shù)

換向是由反電勢信號(hào)采樣檢出經(jīng)鎖相環(huán)控制而完成的，在電機(jī)靜止及低速運(yùn)行時(shí)，其反電勢為零或極低，無法檢測，因此必須由其它方法開環(huán)起動(dòng)，到產(chǎn)生足夠大的反電勢方能進(jìn)入正常換向。

控制芯片提供了完滿的起動(dòng)換向技術(shù)： M L 4428內(nèi)部有一個(gè)RUN比較器(見圖1)，腳電壓信號(hào)代表了電動(dòng)機(jī)的速度信號(hào)，起動(dòng)腳電壓低于0. 6V， RU N比較器輸出開啟起動(dòng)邏輯電路，關(guān)閉換向邏輯電路， M L4428將發(fā)出6個(gè)取樣來測定轉(zhuǎn)子位置，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的線圈以產(chǎn)生所需轉(zhuǎn)動(dòng)，這將導(dǎo)致電機(jī)加速直到RC腳電壓達(dá)到0. 6V，速度足夠高產(chǎn)生被檢測的反電勢，此時(shí)RUN比較器輸出關(guān)閉起動(dòng)邏輯電路，允許鎖相環(huán)電路工作開始，進(jìn)入正常的換向邏輯工作狀態(tài)，經(jīng)檢測此時(shí)電機(jī)速度是電機(jī)最大轉(zhuǎn)速的8.