無位置傳感器技術(shù)在BLDCM控制系統(tǒng)設(shè)計中的應用

阮兆忠

摘 要：BLDCM（無刷直流電動機）是由電動機主體與驅(qū)動器組成的電機設(shè)備，是家用電器和現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中重要的運動部件，包括有位置傳感器的無刷直流電動機和無位置傳感器的無刷直流電動機兩種結(jié)構(gòu)形式。無位置傳感器避免了有位置傳感器的無刷直流電機控制精度低、抗干擾能力差、制造工藝復雜等缺點，因此無位置傳感器在BLDCM控制系統(tǒng)中的應用是目前電力科研的重要方向。該文重點介紹了無位置傳感器技術(shù)在BLDCM控制系統(tǒng)中的應用以及其轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)中最成熟的反電動勢法。

關(guān)鍵詞：無位置傳感器 反電動勢 無刷直流電動機

中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（a）-0105-02

目前有位置傳感器的無刷直流電動機在電力電子工程中得到廣泛的應用，但是由于位置傳感器的存在，也使得系統(tǒng)復雜程度提高、成本增加、可靠性降低，對電機的制造工藝也帶來了不利的影響。而無位置傳感器則免去了上述弊病，故而無位置傳感器運行被認為是無刷直流電動機的一種最有推廣價值的工作方式。此外，在無位置傳感器無刷直流電動機的控制電路中位置檢測器采用反電動勢法，為進行相位補償提供條件，同時可以通過轉(zhuǎn)子位置變化精確計算電機瞬時轉(zhuǎn)速。

1 無刷直流電動機

1.1 BLDCM控制系統(tǒng)工作原理

所謂BLDCM控制系統(tǒng)即為無刷直流電動機控制系統(tǒng)，其主要涉及對于無刷直流電動機的運行速度的控制，對于電機中的轉(zhuǎn)矩進行波動抑制以及其內(nèi)傳感器的有效分布與操縱。這種控制系統(tǒng)主要被一些型號較小，重量較輕的電氣設(shè)備所采用，并在這些設(shè)備中的啟動環(huán)節(jié)起到了重要的作用。其與普通的直流電機在構(gòu)造上有所不同，其首要區(qū)別在于無刷直流電動機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子具有永磁性，而普通的直流電動機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子并非永磁體。另外，無刷直流電動機內(nèi)部還有與驅(qū)動相關(guān)的集成電路，檢測系統(tǒng)檢測轉(zhuǎn)子的相關(guān)信息轉(zhuǎn)換成電子信號，將這種信號傳遞給電路部分，對電路進行調(diào)控。其相關(guān)的控制系統(tǒng)包括逆變器部分、轉(zhuǎn)子檢測部分與實施控制部分。首先，無刷直流電動機利用電流進行轉(zhuǎn)動，其內(nèi)轉(zhuǎn)子所處的位置通過上述的集成電路檢測出來，隨后這種信號被傳遞到控制系統(tǒng)，對電路進行控制。這便是無刷直流電動機的工作原理。

1.2 無位置傳感器控制過程

常見的運用無位置傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)備例如電冰箱，微波爐等小型用電設(shè)備，在這些家用小型電器當中，在無刷直流電動機的內(nèi)部安裝霍爾效應半導體，這種霍爾元件可以有效地檢測出無刷直流電動機中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，而除了霍爾效應半導體之外，還安裝有由光學玻璃制成的光電碼盤，這種部件上具有許多通路，其分為光可透過部分及光不可透過部分，其被設(shè)置在無刷直流電動機內(nèi)部可以有效地檢測出轉(zhuǎn)子的位置所在，這是一種檢測方法。另外，可以通過對無刷直流電動機的電流進行檢測，并對其所占用的電壓進行數(shù)據(jù)記錄，通過推算分析可以得到無刷直流電動機內(nèi)部轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與位置所在。正是因為這種檢測方式并不是通過對無刷直流電動機進行拆卸從而得到轉(zhuǎn)子的位置，而是通過其他量與數(shù)據(jù)的推算而得出的，所以其被稱之為無位置傳感器控制系統(tǒng)，這亦是其工作的原理。

1.3 反電動勢法檢測轉(zhuǎn)子位置

反電動勢法檢測轉(zhuǎn)子位置具有眾多的優(yōu)點，其中，方法簡單便是最顯著的一個優(yōu)點。但是，當無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速較低時，會造成電機的電動勢較小，這時采用反電動勢法檢測轉(zhuǎn)子位置就會由于電動勢過低造成檢測難度加大，轉(zhuǎn)子位置不易確定的問題出現(xiàn)。傳統(tǒng)的反電動勢法過零檢測存在缺陷，但是，通過對其進行部分簡化，采用實時檢測確定無刷直流電動機內(nèi)部通過的電流大小以及其在電路中所分擔的電壓大小，這時，再采用線路中的定值電阻自身的參數(shù)進行公式計算，并通過反電動勢法的數(shù)學模型進行計算分析，最終完成對無刷直流電動機中電子檢測裝置的控制。這種方法不但繼承了傳統(tǒng)方法的簡單方便，并且在數(shù)據(jù)處理的時候縮短了許多步驟，并提高了最終結(jié)果的精確度，并且，傳統(tǒng)方法中當電動勢較低時測定結(jié)果會有較大的偏差，而這種簡化后的反電動勢檢測方法極大地拓展了電動勢的有效范圍，提升了檢測的精確度。

2 BLDCM系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

BLDCM系統(tǒng)設(shè)計當中的主要硬件設(shè)計便是其內(nèi)部的芯片組件及其他線路，其他線路中又包含與檢測相關(guān)的信號檢測線路，信號轉(zhuǎn)換線路與信號傳遞線路，信號處理線路，還包括保護線路，驅(qū)動線路等。整體控制系統(tǒng)首先根據(jù)給定的電機速度與內(nèi)部的保護電路信號傳遞給DSP部分，這部分組件再將信號傳遞給IR2136完成一次信號的傳遞。它又對BLDCM中的電流與轉(zhuǎn)子位置完成了檢測，這部分檢測的信號再次傳遞給DSP部分，由它傳遞給顯示器部分完成了最終的數(shù)據(jù)顯示。這便是BLDCM系統(tǒng)整體的硬件設(shè)計。其中，DSP組件部分的芯片內(nèi)部包含有6個單元組件，這六組PWM的主要功能是促進無刷直流電動機轉(zhuǎn)動。除此之外，電機中的脈沖電路可用來處理其他脈沖電流從而使DPS系統(tǒng)進行電機轉(zhuǎn)速的計算。DPS系統(tǒng)中的TMS部分包含12支內(nèi)部信號，由控制系統(tǒng)中的功率管進行組件控制。在硬件系統(tǒng)當中，DPS部分最主要的功效便是對于無刷直流電動機中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測定，并依據(jù)轉(zhuǎn)碼器與計算部件對無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速進行測定。

2.2 軟件設(shè)計

根據(jù)無刷直流電動機中的硬件構(gòu)造進行軟件設(shè)計，并將設(shè)計好的軟件植入到硬件組織的芯片中，根據(jù)軟件中的數(shù)學模型與計算方式對所測的信號與數(shù)據(jù)進行分析處理，得出所需要的數(shù)據(jù)結(jié)果。最終，硬件部分與軟件部分得以結(jié)合，共同為無刷直流電動機的位置確定與轉(zhuǎn)速計算進行處理。軟件部分需要通過相應的安裝程序才能將其有效地植入到芯片中，并保證其功效與運行正常。在大多數(shù)的無刷直流電動機的軟件開發(fā)中，大多采用的是CCS3.3作為無刷直流電動機中DPS組件設(shè)計的基本軟件。所謂CCS，即為DPS的集成開發(fā)系統(tǒng)。通過可視化的窗口進行多種計算機語言的綜合應用，進行程序的編寫。開發(fā)的過程中選擇XDS510硬件仿真器與該軟件進行連接。所謂硬件仿真器就是對于無刷直流電動機當中的硬件部分進行模擬，創(chuàng)造出硬件的環(huán)境，然后依據(jù)在該模擬硬件環(huán)境上進行程序編寫與軟件設(shè)計，通過CCS3.3編寫出相關(guān)的數(shù)據(jù)流程，該流程可以有效地檢測無刷直流電動機當中的有效信息，其包括信息的測定，信息的轉(zhuǎn)碼，信息的傳輸，信息的接收以及信息的處理應用。只有在軟件的編寫當中形成有效的信息傳遞流程圖，才能保證所設(shè)計的軟件適合于硬件的要求。

2.3 上電實驗

在對無刷直流電動機進行完硬件部分的設(shè)計以及軟件部分的設(shè)計之后，對于這兩者能否進行有效的結(jié)合并對信息進行計算處理進行確定，就需要進行上電實驗。所謂上電實驗，就是對硬件與軟件設(shè)計完畢的無刷直流電動機進行定額通電，觀察其測定的電流額度是否與給予的電流水平與電壓水平相同，其基礎(chǔ)是在控制系統(tǒng)的控制下保證電機從靜止狀態(tài)到運行狀態(tài)的平穩(wěn)過渡與穩(wěn)定運行，并具備有效的控制調(diào)節(jié)過程。

3 結(jié)語

在無刷直流電動機的運行當中，對于轉(zhuǎn)子的檢測是十分重要的，其既可以顯示出電機的運行速度，又能夠顯示出電機的運行位置。而該文通過對無刷直流電動機進行分析，就其BLDCM控制系統(tǒng)工作原理，無位置傳感器控制過程以及反電動勢法檢測轉(zhuǎn)子位置進行分析，并對其BLDCM系統(tǒng)設(shè)計中硬件設(shè)計，軟件設(shè)計以及上電實驗進行闡述，從而使讀者對無刷直流電動機的運轉(zhuǎn)有一個清晰明了的認識。

參考文獻

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