反电动势法 无刷电机

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1、“反电动势法”永磁直流无刷电机控制系统设计时间：2009-04-02 11：01：29来源：电子技术作者：武汉大学自动化系王鸿通过表1的逻辑关系，同一桥臂上下桥臂的输入信号互锁，使得不会出现同时导通的 情况。硬件电路的连接由表l逻辑关系而定，而且可以通过与非门电路搭建而成，在此不再 详述。3系统软件设计MCU输出控制信号控制三相全桥驱动逆变电路，在软件实现上可以采用不同的控制规 律，常用的控制方式有：三三导通控制方式，两三轮流导通控制方式和1200导通型控制方 式。它们在控制性能上相差不大，本系统采用1200导通型控制方式，控制规律为：（1）每隔 600换流一次；（2）任何时候只有两只开关器件

2、同时导通；（3）每个开关器件导通1200根据 硬件电路的设计和1200导通型控制规律，桥臂与M0S管对应关系为：A上桥臂：Tl，A 下桥臂：T4 ； B上桥臂：T3，B下桥臂：T6 ； C上桥臂：T5，C下桥臂：T2。各M0S管 导通顺序如表2所示。表2MOS管导通规律状态狀态一状态二状态三狀态五狀态六导通T1J2T2J3T4tT5TiT6T6J1电流方向C-,B+B+.A-A-,C+C+,B-采用反电动势法控制直流无刷稀土电机，在起动时，由于电机转速很小，无法获得反 电动势，因此电机起动顺利完成要通过软件编程实现。常用的起动方式有：外同步驱动起动 方式和预定位起动方式。外同步驱动方式指以变频

3、方式同步拖动电机转子旋转，这种起动方 式的缺点是转子的旋转方向是不可知的，转子可能顺时针旋转也可能逆时针旋转；另外，如 果频率上升太快，电机很容易失步。预定位方式起动是在起动开始时给电机一个确定的通电 状态，使转子定位。然后改变电机的通电状态，在电磁力矩的作用下使转子向确定方向转动, 在转动过程中把电机切换到无刷电机运行方式。这样，一方面使绕组中具有一定大小的反电 势信号，另一方面电动势的相序是固定的而非随机的，保证电机有一个确定的转向，实现电 机的顺利起动。4总结采用以上分析设计的控制方案控制直流无刷稀土电机，实现了反电动势法无传感器控制 方式。同时采用两个电流保护模块，一个从硬件上实现保护

4、，一个从软件方面设计实现保护, 使得电机在外电路过流与直通发生时能更好的保护整个控制系统的安全运行，相比较于只采 用硬件保护电路或软件保护的反电动势控制方法更加灵活安全。还特别的加入了逻辑保护电 路模块使得在软件出现问题时能保护驱动电路和电机的安全。整个系统在分析设计方面还有 改进的空间，希望其他读者能从以下方面进行改进。（1）更好的解决反电动势虚假过零点问题。（2）有待研究更快更好的启动方法。驱动桥式电路常用方案有：三相半桥驱动，电容储能驱动和三相全桥驱动。三相全桥驱 动由六只功率管构成三相六臂全控桥，虽然增加了功率开关管的数量，但增大了转矩输出且 转矩波动小于三相半桥驱动，复杂性与可靠性上

5、也优于电容储能驱动，而且起动特性和低速 平稳性都较好，因此本系统采用此方案。如图3所示，为驱动芯片和驱动桥式电路（只接了 一相的上下桥臂）的硬件电路设计。转子位置检测电路用于测取电机反电动势过零点信息，从而获得转子位置，而且是通电机端电压检测共分为A、B、C三相，现以A相为例，先将输入到IR2130的B和C 相驱动控制信号PWM B和PWM C通过与非门反相，得到B、C两相上桥臂的PWM驱动 信号相与的波形，然后跟单片机输出控制口信号Ctr_A相与。当单片机输出控制口为l时， D触发器时钟端为B、C两相PWM驱动波形相与的信号；当单片机输出口为0时，D触发 器时钟端为低电平，封锁D触发器输出，

6、使D触发器输出保持不变，从而通过编写软件控 制单片机输出口，使得每个状态，只有一个D触发器开通，且在续流阶段封锁D触发器输 出，这样可以很大程度的避免反电动势虚假过零点对零点信息测量的影响。电流保护电路包括两个部分。第一部分如图3所示。通过R7、R8、R9三个电阻将驱动桥的电压信号采集到IR2130中，一旦外电路发生过流或 直通，IR2130内部的电流比较器迅速翻转，故障处理单元输出低电平，封锁驱动输出口， 同时引脚FAULT向MCU发出报警信号，由此完成第一部分电流保护功能且要通过软件设 计实现具体的功能响应。第二部分电流保护主要针对驱动桥，电路设计如图5所示。保护电路通过Rio于Rll将驱

7、动桥下桥臂的电压采集到LM393的正向输入端，可以和 事先设定的Verf进行比较，当驱动桥电流过大时，LM393输出高电平，使得Qi、Q2、Q3 都导通，由此降低下桥臂MOS管的栅源电压，达到保护MOS管的目的。三相全桥的驱动控制是由MCU通过PWM方式实现的，当软件运行出现错误时，可能 会使得同一桥臂的上下两个MOS管同时导通，这将造成短路，极易烧坏MOS管，由此设 计了逻辑保护电路模块，使得同一桥臂上下两个MOS管不会出现同时导通的情况。逻辑保 护电路输入与输出的逻辑关系如表1所示。表1输入输出逻辑关系六路输 入信号DK D2. D3D4. D5. D6釁Q 1 = 5104Q2=D2D5

8、Q3=D3D6Q4 = D4DlQ5 = D5D2Q6 = d6D3六路输 岀信号1Qk Q2 Q3Q4. Q5. Q6通过表1的逻辑关系，同一桥臂上下桥臂的输入信号互锁，使得不会出现同时导通的情况。 硬件电路的连接由表l逻辑关系而定，而且可以通过与非门电路搭建而成，在此不再详述。3系统软件设计MCU输出控制信号控制三相全桥驱动逆变电路，在软件实现上可以采用不同的控制规 律，常用的控制方式有：三三导通控制方式，两三轮流导通控制方式和1200导通型控制方 式。它们在控制性能上相差不大，本系统采用1200导通型控制方式，控制规律为：（1）每隔 600换流一次；（2）任何时候只有两只开关器件同时导通

9、；（3）每个开关器件导通1200根据 硬件电路的设计和1200导通型控制规律，桥臂与MOS管对应关系为：A上桥臂：Tl，A 下桥臂：T4 ； B上桥臂：T3，B下桥臂：T6 ； C上桥臂：T5，C下桥臂：T2。各MOS管 导通顺序如表2所示。表2MOS管导通规律状态狀态一状态二状态三狀态五狀态六导通T1,T2T2.T3T3,T4T4tT5T6J1电流方向C-,B+A-,C+C+,B-B-aA+采用反电动势法控制直流无刷稀土电机，在起动时，由于电机转速很小，无法获得反 电动势，因此电机起动顺利完成要通过软件编程实现。常用的起动方式有：外同步驱动起动 方式和预定位起动方式。外同步驱动方式指以变频方

10、式同步拖动电机转子旋转，这种起动方 式的缺点是转子的旋转方向是不可知的，转子可能顺时针旋转也可能逆时针旋转；另外，如 果频率上升太快，电机很容易失步。预定位方式起动是在起动开始时给电机一个确定的通电 状态，使转子定位。然后改变电机的通电状态，在电磁力矩的作用下使转子向确定方向转动, 在转动过程中把电机切换到无刷电机运行方式。这样，一方面使绕组中具有一定大小的反电 势信号，另一方面电动势的相序是固定的而非随机的，保证电机有一个确定的转向，实现电 机的顺利起动。4总结采用以上分析设计的控制方案控制直流无刷稀土电机，实现了反电动势法无传感器控制 方式。同时采用两个电流保护模块，一个从硬件上实现保护，一个从软件方面设计实现保护, 使得电机在外电路过流与直通发生时能更好的保护整个控制系统的安全运行，相比较于只采 用硬件保护电路或软件保护的反电动势控制方法更加灵活安全。还特别的加入了逻辑保护电 路模块使得在软件出现问题时能保护驱动电路和电机的安全。整个系统在分析设计方面还有 改进的空间，希望其他读者能从以下方面进行改进。(1) 更好的解决反电动势虚假过零点问题。(2) 有待研究更快更好的启动方法。