一種無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的在線轉(zhuǎn)速估計(jì)方法
畢海悅，張東來(lái)
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，廣東深圳518055)
摘要：研究了一種無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的在線轉(zhuǎn)速估計(jì)方法。提出了一種在HaIl傳感器調(diào)速的基礎(chǔ)上，通過(guò)一種在線方法對(duì)電動(dòng)機(jī)速度進(jìn)行估計(jì)的一種方法，最后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；Hall傳感器；速度估計(jì)
0引 言
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，其寬動(dòng)態(tài)范圍、高精度速度控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于速度檢測(cè)，而且在低壓下的速度檢測(cè)則是更為關(guān)鍵的。本文提出的測(cè)量環(huán)節(jié)是一種在線的方式，與傳統(tǒng)的基于光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。方法相比，這種方法大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，與測(cè)速發(fā)電機(jī)相比明顯減少了一個(gè)測(cè)速發(fā)電機(jī)裝置。由此可以看出，尋找一種簡(jiǎn)單可行又準(zhǔn)確的測(cè)速方案是十分必要的。
1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)速度控制原理
對(duì)于定子繞組為三相星型接法的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，每相繞組可以等效為電阻、電感和反電動(dòng)勢(shì)串聯(lián)而成：采用三相全橋式逆變器作為驅(qū)動(dòng)電源，主電路和電機(jī)等效模型如圖l所示。
為便于分析，作如下假定：
(1)三相繞組完全對(duì)稱，氣隙磁場(chǎng)為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布均勻；
(2)忽略齒槽、換向過(guò)程和電樞反應(yīng)的影響；
(3)電樞繞組在定子內(nèi)表面均與連續(xù)分布；
(4)磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損失。
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理：設(shè)電動(dòng)機(jī)本體的電樞繞組為三相星形連接，位置傳感器與電動(dòng)機(jī)本體同軸，控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后控制逆變器的功率開(kāi)關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。定子合成磁場(chǎng)在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，每個(gè)步進(jìn)角是60o電角度。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò)60o電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場(chǎng)的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。可見(jiàn)，電機(jī)有六種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120o電角度。我們把無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式稱為兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)，這是最常用的一種工作方式。
本文提出的轉(zhuǎn)速估計(jì)是利用單片機(jī)的EEPROM寄存器將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理得到轉(zhuǎn)速曲線。該方法簡(jiǎn)單、易操作，轉(zhuǎn)速曲線的提取對(duì)于電動(dòng)機(jī)的建模、控制是十分關(guān)鍵的。
2在線轉(zhuǎn)速控制策略
2．1硬件設(shè)計(jì)
為了能夠從電機(jī)本身獲得更多的測(cè)速信息，將電機(jī)的一對(duì)極變成了多對(duì)極，本實(shí)驗(yàn)使用的電機(jī)為4對(duì)極，相鄰的Hall之間的相位差為120o，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周將產(chǎn)生三路相位依次相差120o的Hall脈沖信號(hào)。利用單片機(jī)中的三個(gè)捕獲單元即可獲得電機(jī)的測(cè)速信號(hào)。但是每次捕獲得到的6個(gè)磁狀態(tài)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1／4圈，這樣可以做到每次采樣的結(jié)果比一對(duì)極采樣結(jié)果相對(duì)密集，測(cè)得的結(jié)果更接近真實(shí)值。在現(xiàn)有的電機(jī)控制板基礎(chǔ)上還需要一個(gè)串口電路將儲(chǔ)存在EPPROM中的數(shù)據(jù)傳送出來(lái)。
2．2軟件設(shè)計(jì)
在單片機(jī)中利用三個(gè)捕獲單元對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)定，這三個(gè)捕獲單元又是對(duì)高低電平都產(chǎn)生中斷，于是對(duì)于一個(gè)捕獲單元來(lái)講，每捕獲一次轉(zhuǎn)速信號(hào)即代表1／8圈，而每計(jì)一次數(shù)代表4μs，所以由此可以計(jì)算出轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)：N=
其目的是為了減少單片機(jī)中的運(yùn)算量。
式中：N——捕獲計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)；
n——電機(jī)轉(zhuǎn)速。
將讀得的轉(zhuǎn)速參數(shù)儲(chǔ)存到EEPROM中，利用串口將電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)讀人到Pc機(jī)中，并在Madab中對(duì)其進(jìn)行速度曲線的轉(zhuǎn)化，流程圖如圖3和圖4所示，通過(guò)該過(guò)程的操作即可求出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
為了驗(yàn)證上述測(cè)速方案的有效性，本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。由于在采樣轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)時(shí)，存在著隨機(jī)擾動(dòng)，而且每次干擾都是不同的，所以需要對(duì)其進(jìn)行多次測(cè)量 |
