摘要：針對(duì)無刷直流電機(jī)方波驅(qū)動(dòng)出力大．正弦波驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于霍耳傳感器信號(hào)的無刷直流電機(jī)方波與正弦波復(fù)合驅(qū)動(dòng)器。在不改動(dòng)硬件電路的前提下，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)了無刷直流電機(jī)的方波驅(qū)動(dòng)與正弦波驅(qū)動(dòng)以及兩種驅(qū)動(dòng)方式間的動(dòng)態(tài)切換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無刷直流電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，切換方式靈活。該設(shè)計(jì)的方波正弦波復(fù)合驅(qū)動(dòng)器可以有效拓寬無刷直流電機(jī)在高精度、低噪聲環(huán)境下的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；方波驅(qū)動(dòng)；正弦波驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)以其體積小、效率高、壽命長(zhǎng)、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家電、醫(yī)療器械、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。無刷直流電機(jī)一般采用方波驅(qū)動(dòng)，出力大，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲也比較大，影響著無刷直流電機(jī)在高精度、低噪聲環(huán)境下的應(yīng)用。
近年來，國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的正弦波驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了研究，當(dāng)無刷直流電機(jī)采用正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲要小于方波驅(qū)動(dòng)。因此，本文針對(duì)無刷直流電機(jī)方波驅(qū)動(dòng)出力大，正弦波驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了無刷直流電機(jī)方波正弦波復(fù)合驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了無刷直流電機(jī)的方波驅(qū)動(dòng)和正弦波驅(qū)動(dòng)，以及兩種驅(qū)動(dòng)方式的動(dòng)態(tài)切換。
1控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)模式由外部的驅(qū)動(dòng)模式按鍵狀態(tài)決定，可以通過驅(qū)動(dòng)模式按鍵來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)方式的動(dòng)態(tài)切換。其中，電機(jī)控制系統(tǒng)處理器采用微芯公司的dsPIc30F40n數(shù)字信號(hào)控制器，通過對(duì)ds P1c30F4011進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的方波與正弦波的復(fù)合驅(qū)動(dòng)。控制器產(chǎn)生的PwM信號(hào)經(jīng)光電隔離后傳給IR2130驅(qū)動(dòng)芯片。IR2130具有獨(dú)特的自舉電路，一片IR2130就可以驅(qū)動(dòng)一套典 。
2 方波驅(qū)動(dòng)
無刷直流電機(jī)的方波驅(qū)動(dòng)模式根據(jù)霍耳信號(hào)的6個(gè)狀態(tài)控制電機(jī)繞組的導(dǎo)通與關(guān)斷，相對(duì)正弦波驅(qū)動(dòng)而言控制更加簡(jiǎn)單。一般采用兩兩導(dǎo)通模式，即每一時(shí)刻兩相導(dǎo)通，每相導(dǎo)通120。(電角度)。dsPIc30F401l中集成了專門針對(duì)電機(jī)控制的PwM模塊(McPwM)，可以方便地控制各種電機(jī)。無刷直流電機(jī)的控制主要是根據(jù)霍耳信號(hào)進(jìn)行換相，而dsPIC30F4011中的PWM輸出改寫寄存器(ovDcoN)可以很方便地控制PwM的輸出，通過修改OVDcoN寄存器的值可以很容易地實(shí)現(xiàn)無刷贏流電機(jī)的換相。
3 正弦波驅(qū)動(dòng)
無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置一般是通過霍耳傳感器來檢測(cè)的。方波驅(qū)動(dòng)時(shí)只需幾個(gè)離散的轉(zhuǎn)子位置點(diǎn)即可，但要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正弦驅(qū)動(dòng)，必須知道轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置。因此，如何根據(jù)霍耳信號(hào)來計(jì)算轉(zhuǎn)子位置是實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)正弦波驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵之一。
3．1轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)與扇區(qū)細(xì)分
無刷直流電機(jī)位置檢測(cè)為霍耳元件，其輸出脈沖波形是占空比為50％的方波信號(hào)�；舳盘�(hào)脈沖波形的上升沿和下降沿代表著O和180。
(電角度)。因此，可以通過測(cè)量霍耳信號(hào)的上升沿和下降沿之間的時(shí)間差來計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并對(duì)扇區(qū)進(jìn)行細(xì)分。
3．2 svPwM的產(chǎn)生
本文中無刷直流電機(jī)的正弦波驅(qū)動(dòng)采用SVPwM調(diào)制方式，由霍耳信號(hào)來進(jìn)行扇區(qū)選擇。
dsPIc30F4011具有DsP高速運(yùn)算的特點(diǎn)，同時(shí)具有專門針對(duì)電機(jī)控制的PWM模塊，可以很方便地產(chǎn)生svPwM。sVPwM產(chǎn)生的總體思路為：在每次PwM的周期中斷中，進(jìn)行電壓空間矢量的相角累加，然后根據(jù)電壓空間矢量的相角判斷所在的扇區(qū)，根據(jù)所在扇區(qū)計(jì)算各路PWM的占空比。
4驅(qū)動(dòng)方式的切換
無刷直流電機(jī)方波驅(qū)動(dòng)時(shí)采用兩兩導(dǎo)通方式，每一時(shí)刻只有2個(gè)功率管是導(dǎo)通的；而無刷直流電機(jī)的正弦波驅(qū)動(dòng)采用三三導(dǎo)通模式，每一橋臂的上下2個(gè)功率管是互補(bǔ)導(dǎo)通的，每一時(shí)刻有3個(gè)功率管處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此，要實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的方波與正弦波兩種驅(qū)動(dòng)方式的動(dòng)態(tài)切換，就必須考慮每個(gè)時(shí)刻功率管的導(dǎo)通狀態(tài)以及當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。本文中采用軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)兩種驅(qū)動(dòng)方式的動(dòng)態(tài)切換。軟件切換的全部工作量都由dsPIC30F4011完成。
有一種PwM形式輸出有效，至于選擇哪種PwM進(jìn)行輸出，由外部的驅(qū)動(dòng)模式按鍵的狀態(tài)決定。考慮到正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)電壓空間矢量的相角與實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)子位置存在誤差，當(dāng)檢測(cè)到外部按鍵變化需要進(jìn)行切換時(shí)，并不立即進(jìn)行切換，而是等到霍耳信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)才進(jìn)行驅(qū)動(dòng)模式的切換。
因?yàn)槊恳淮位舳盘?hào)的跳變，表示電壓空間矢量到達(dá)6個(gè)基本電壓矢量中的一個(gè)，都會(huì)進(jìn)行一次電壓矢量相角位置的校準(zhǔn)，如此一來可使每一次切換時(shí)，電壓矢量相角與轉(zhuǎn)子位置誤差最小。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本次試驗(yàn)的無刷直流電機(jī)繞組為星型連接。在實(shí)驗(yàn)過程中，逆變器母線電壓恒定為28 V，采用電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速恒定為486 r／min。用電流鉗將電機(jī)的相電流信號(hào)轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)，冉通過示波器來觀察電機(jī)在不同驅(qū)動(dòng)模式下的電流波形。 |
