基于C8051F320的無位置傳感器無刷直流電動機(jī)控制技術(shù)
趙君，劉衛(wèi)國，譚博，孫銀川
(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)
摘要：介紹一種基于c8051 F320的無位置傳感器無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用反電勢過零檢測法確定轉(zhuǎn)子位置信息，完成r速度、電流的雙閉環(huán)控制。結(jié)合c805l320具有的多機(jī)9位uART通信模式，利用Labview 8. O實(shí)現(xiàn)了對多臺電機(jī)的測試與PI參數(shù)整定功能。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，調(diào)速性能
良好。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動機(jī)；無位置傳感器；c8051F320；Labvlew 8. 0
O引 言
隨著磁性材料、電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。無刷直流電動機(jī)與直流電動機(jī)和交流異步電動機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速特性好、無換向器和效率高的特點(diǎn)。因?yàn)闊o刷直流電動機(jī)沒有換向器，需要采取一定措施獲取轉(zhuǎn)子位置信息。而獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方法通常有兩種，一種是采用傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置，這種方法簡單易行，但傳感器易受環(huán)境影響，在高溫等環(huán)境下，性能會不穩(wěn)定，甚至失效，同時連接線較多。另一種是利用測量得到的電流、電壓、電機(jī)的基本方程、觀測器和電機(jī)的反電勢等獲得轉(zhuǎn)子位置信息。
在第二種方法中，利用反電勢過零點(diǎn)獲得轉(zhuǎn)子位置信息的“反電勢法”簡單可行，文中利用該方法設(shè)計(jì)了一種用于牙鉆機(jī)的無位置傳感器無刷直流電動機(jī)(簡稱牙鉆電機(jī))控制系統(tǒng)，并結(jié)合Labview 8. O完成對系統(tǒng)的測試及參數(shù)整定。
1反電勢過零檢測
反電勢過零檢測法是目前技術(shù)最成熟，實(shí)現(xiàn)******，應(yīng)用****泛的轉(zhuǎn)子位置檢測方法。文獻(xiàn)[1]指出在方波無刷直流電動機(jī)中，繞組反電勢是正負(fù)交變的梯形波，當(dāng)某相繞組的反電勢過零時，轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組軸線重合。由圖1可知，只要檢測到各反電勢的過零點(diǎn)，延遲30o電角度，就可獲得對應(yīng)的換相時刻，這就是反電勢法檢測無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置換相工作原理。
本系統(tǒng)牙鉆電機(jī)本體已將中線引出，所以利用位置檢測電路便可以獲得電機(jī)位置信號。圖2為電機(jī)A相繞組位置檢測電路，其余兩相與A相同。
由于采用PwM方式，A中往往含有高頻調(diào)制信號，影響電壓比較器的正常工作，因此需要采用濾波器對端電壓信號A進(jìn)行濾波。圖2中濾波參數(shù)決定著最后得到的方波信號能否準(zhǔn)確地反映轉(zhuǎn)子位置，所以設(shè)計(jì)時要格外注意。首先，保證濾波器的相移盡量小，圖2中采用的濾波電路相移很小，對檢測到信號影響也較��；其次，因元器件存在一定的誤差，在選用R、c元件時，應(yīng)保證三相對應(yīng)的電阻和電容值差別很小，否則會引起三相濾波器的移相角不一致，從而對電機(jī)運(yùn)行性能帶來不利影響。
2控制原理
系統(tǒng)由電流反饋控制環(huán)及速度反饋控制環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速通過單片機(jī)檢測位置檢測電路獲得的轉(zhuǎn)子位置信息日HA、HB、HC計(jì)算得到，系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)和外環(huán)均由單片機(jī)根據(jù)速度給定值與反饋值比較運(yùn)算得到電流給定值，實(shí)際為對應(yīng)的電機(jī)給定電壓值。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，對速度控制器的輸出電流給定值與經(jīng)采樣電阻采樣后送A／D轉(zhuǎn)換得到的電流值，通過適當(dāng)?shù)腜I算法，給出對應(yīng)的PwM信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制由給定信號經(jīng)單片機(jī)處理后控制對應(yīng)開關(guān)管導(dǎo)通順序，完成正反轉(zhuǎn)功能。由于將M0sFET的實(shí)際電流采樣情況送到單片機(jī)，當(dāng)三相橋的運(yùn)行電流超過給定值時，單片機(jī)可以靈活地進(jìn)行保護(hù)控制。
系統(tǒng)選用c8051F320作為控制核心。該處理器是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(soc)，具有與8051兼容的高速cIP-5l內(nèi)核(運(yùn)算速度高達(dá)25MIPs)。擁有豐富的片內(nèi)外資源，其上集成有A／D，可編程增益放大器；電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SM Bus／12c、usB、uART、PcA及看門狗等。這些外設(shè)的高度集成，為設(shè)計(jì)小體積、低功耗、高性能的系統(tǒng)提供了極大的方便，同時可以大大降低系統(tǒng)整體成本。系統(tǒng)原理圖如圖3所示。
對于無位置傳感器無刷直流電動機(jī)而言，在電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速很低的情況下，位置檢測電路無法通過檢測反電勢過零點(diǎn)準(zhǔn)確獲得轉(zhuǎn)子位置信息，因此需要采用一定的起動方法使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到可以穩(wěn)定獲得反電勢過零點(diǎn)的速度。由于牙鉆電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量小，同時考慮成本及復(fù)雜程度，本系統(tǒng)采用一種開環(huán)起動技術(shù)完成 |
