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端電壓比較法直接尋找無刷直流電動機換相點及其斬波調速

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:2566


   摘要:提供了一種利用端電壓比較結合軟件算法直接尋找直流無刷無位置傳感器電動機換相點的方案.解決了直流無刷無位置傳感器電動機控制的關鍵問題一轉子位置檢測,并以單片機PICl6C72為核心構成先進的數字控制系統,實現了軟件斬波調速。

1概述

   無刷直流無位置傳感器電動機的電子換向逆變器主電路如圖l所示無刷直流無位置傳感器電動機的換向原則是:當檢測到不通電相繞組的反電勢為零時,以此作為起點,向著電機旋轉方向滯后30°電角度,即為最佳換向點。

    圖l逆變器主電路

2反電勢與端電壓

  圖2定子繞組相反電勢實際波形

 圖3定子繞組相反電勢波形

   圖2是W相反電勢的實際波形示意圖。在本電路中,每相繞組在一個周期中通電兩個2π/3區間,直流電壓將在通電區間內對反電勢起作用,如圖2中,在30°一150°和210°一330°有電流激勵的區間內,反電勢不再按照正弦規律運行,而是按照圖3所示的梯形規律運行。按照無刷直流無位置傳感器電動機的換向原則,圖2、圖3中的30°和210°處為W相的換相點,無刷直流無位置傳感器電動機控制的關鍵問題就足找到三相反電勢波形中的六個換相點。

   但是因為電動機的中性線未引出,故無法直接檢測定子繞組的反電勢。圖4為電機定子三相繞組輸出端U、V、W(U、V、W端位置見圖1)對地的電壓即端電壓波形,每相互隔120°,斜坡為相繞組不激勵時的波形,斜坡的寬

度為60°相角,其中性點在÷UD(UD為直流電壓)處,該波形可以間接反映該相反電勢,它被直流電源所鉗位,高電位為UD,低電位為O,波形為如圖4中的梯形波,以下將證明端電壓Uu、Uv、Uw的過中性點的時間與U、V、W

相的反電勢過零點在時間上是重合的,尋找反電動勢過零點后30°點也就等于尋找端電壓過中性點后30°點。

 圖4三相定子繞組端電壓波形示意圖

 圖5定子繞組相等效電路

圖5為無刷直流電動機定子相等效電路,其中L是相電感,R是相電阻,E是反電勢,Vn是電機定子繞組中性點對地電壓,Uu、Uv、Uw是每相輸出端對地電壓,依圖5建立的三相端電壓平衡方程為:

   由于采用的是兩兩通電方式,所以在每個瞬間只有兩相導通,設U相和V相導通,如圖1所示,且從U相流入,從V相流出,這時U、V兩相電流大小相等,方向相反.W相電流為零,則式(3)可簡化為Uw=Ew+Vn   (4)  所以Ew=Uw-Vn  (5) 將式(1)和式(2)相加得中性點電壓為 (6)再將式(6)帶入式(5)得W相反電勢過零檢測方程為  (7) 相應的U和V相反電勢過零檢測方程為  (8)   (9)當Ew過零時,Eu+Ev=O,式(7)變為: (10) 當Eu過零時,Ew+Ev= O,有 (11)

當Ev過零時,Ew+Eu=O,有  (12) 式 (10)、(11)、(12)說明,三相定子繞組的反電勢過零點與端電壓過中性點在時間上是重合的,因為反電勢波形與端電壓波形的頻率相等,所以尋找反電勢的過零點后30 °即相當于尋找端電壓的過中性點后30°。

3利用端電壓比較直接尋找換相點

圖6是利用無刷直流無位置傳感器電動機三相定子繞組的端電壓直接尋找換相點的端電壓比較電路。

   定子繞組三相端電壓經濾波和分壓電路,送到比較一器LM339的輸入端,兩兩比較的結果由腳1、腳2和腳14經上拉后輸出到PIC的輸人口PORTB。

    圖6端電壓比較電路圖

   如圖7所示,在中性點l和換相點1之間,即VTl、VT6導通期間,Uu>Uv,UUUw,UwUv,比較器輸出結果為H1=l,H2=0,H3=0;當運行到換相點1時(W相反電勢運行到圖2的210°處),W相端電壓等于V相端電壓,由于VTl、VT6繼續導通,U、V相端電壓繼續被鉗位.VT2、VT5處于關斷狀態,W相反電勢不受直流電源的

作用,將按照正弦規律繼續下行,W相端電壓Uw必跟隨這一變化過零變負,使Uw、Uv的大小關系變為UwUv,

比較器比較結果變為H1=1,H2=l,H3=0,三相端電壓比較結果在剛過換相點時發生狀態翻轉,而狀態翻轉也就說明換相點已經到來,那么,剩下的任務僅僅是由單片機判斷具體是哪兩相的端電壓大小關系發生了變化,判斷這種變化對應的轉子位置信息,進而得到換相信息。

    圖7三相端電壓比較及其功能表

4斬波調速

利用單片機的優勢,本控制器在軟件中實現了斬波調速功能,如圖6所示。PIC通過A/D口RAI采樣可調電位器Rx上的電壓信號作為速度指令,電壓采樣值決定CCP(比較、捕獲、PWM模塊)口輸出高頻斬波PWM渡(圖8中的窄脈沖)的占空比D,斬波PWM波通過與門來調制三路120°輸出方波驅動脈沖(圖8中的寬脈沖),調制原理如圖8所示,斬波輸出為低時,封鎖120°方波驅動脈沖的輸出,也就是封鎖了逆變電路的下橋臂功率管VT2、VT4、VT6的驅動信號,斷開了三相定子繞組的電壓激勵。所以調節Rx即可調節電機轉速,占空比D越高,轉速越高,最高轉速時D=1。

 圖8斬波調速原理圖

5  實驗結果及結論

   以上述的端電壓比較電路和斬波調速電路為核心,我們研制了一臺無刷直流無位置傳感器電動機的控制器,并在電動自行車上進行了實驗。實驗證明利用端電壓比較結合軟件算法直接尋找換相點的方案解決了無刷直流無位置傳感器電動機控制的關鍵問題一轉子位置檢測,軟件斬波調速簡易可靠,調速范圍寬,實現了梯形波控制,電動機運行良好。

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