北京永光高特微電機有限公司
Beijing  YongGuang  Micro-Motor  Manufacturing  Co.,Ltd.
 
新聞詳情

采用ADuC812的無位置傳感器BLDCM控制系統

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:5215


   摘要:在全面分析研究了無位置傳感器無刷直流電動機運行方式的基礎上,闡述了反電勢過零檢測、相位判斷及相位補償的原理及實現方法,并且為了在較寬的范圍內提高無刷直流電動機的調速性能,系統采用高性能ADuC812(兼容8052內核)單片機作為微處理器,實現數字轉速閉環控制。

1引  言

   無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)具有體積小、重量輕、高效節能以及易于維護等一系列優點,在許多場合成功替代直流有刷電動機。而無位置傳感器BLDCM更具有結構簡單、可靠性高和可維護性強等優勢,使得它在近幾年得到了飛速發展。

   目前,對于無位置傳感器BLDCM的控制已有一些專用的集成電路。如Philips公司生產的雙極性集成電路TDA5142T,Micro Linear公司運用鎖相環技術設汁的ML4428等。從專用無位置傳感器BLDCM控制芯片的功能與特性上來說,基本上滿足系統控制要求,簡化了無位置傳感器BLDCM的控制,不僅具有限流和保護功能,而且閉環控制也基本滿足系統調速性能要求。但是這些專用芯片可擴展性和通用性較低,同時專用芯片使用研究的文章資料較少,調試困難。另外,這些專用芯片在國內不易買到,價格較貴,因此不利于以后向市場推廣。因此本文控制系統采用以微處理器為控制核心,這使得控制系統的可擴展性、靈活性、適應性以及參數的可修改性得到了滿足。

2系統電機

   電機本體采用NdFeB稀土永磁電機,定子三相整距繞組,轉子一對極結構。另外,在電機的定子制造工藝上,也采用了先進的無槽設汁,從而消除了電機的齒槽效應,有助于電機外同步起動;并減少了電機的損耗,提高了電機運行效率,在一定程度上減小了轉矩脈動。具體數據如下:額定電壓36V(DC),額定功率30W,效率≥70%,額定轉速30 000 r/min,調速范圍3 000 r/min~35 000 r/min(無級)。

3控制系統設計

3.1數字式速度閉環調速系統總體框圖

   系統采用PWM調速方式,主功率電路是三相全橋星形電路。電機運行以“兩相導通三相六狀態”方式運行??刂品绞揭詥纹瑱C為核心處理系統的速度數字PI閉環控制、相位判斷和補償以及串行LED轉速實時顯示等功能。轉子位置檢測采取反電勢過零檢測 。系統結構框圖如圖1所示。

 

圖1  無位置傳感器BLDCM數字式速度閉環調速系統總體框圖

3.2主控單片機ADuC812

   ADuC812采用了MS51內核,但在集成度上遠高于其它MS51系列單片機,不但集成了高速、高精度A/D與D/A;還集成了8k Flasll/EE ROM,軟件仿真時在線刷新(不需要開發機),調試方便;另外,還集成大容量RAM、Data ROM。這些使得運用ADuC812在設計硬件電路時,控制電路大大簡化,可靠性提高,調試方便。最大的缺點在于它仍然使用MS51指令集。

   由于本系統控制對象為無位置傳感器BLDCM,反電勢檢測信號要送到單片機,經相位補償后輸出。在此期間,單片機要對位置信號的變化作出及時反應,所以現采用外部中斷模式,以保證對反電勢檢測信號的及時處理?,F將反電勢信號經如下邏輯合成處理:INT0 = HA·HB + HA·HC + HB·HC

式中:HA、HB、HC、一 三相反電勢檢測電路輸出信號。    

   處理后的信號送至單片機的INT0這樣將在合成信號的下降沿觸發外部中斷INT0。但是當上升沿到來時卻觸發不了中斷,為了達到上升沿也能觸發中斷,把合成后的信號INT0取反至單片機的INT1這樣,當邏輯合成信號上升沿到來時,將觸發外部中斷INT1。采用這種構思,當三相反電勢信號任一發生變化(上升沿或下降沿到來)時,不是觸發INT就是觸發INT就能保證對三相反電勢信號的及時處理,

3.3位置檢測電路

   位置檢測選用技術較成熟的反電勢過零檢測。反電勢檢測電路須選擇性能優越的低通濾波器(LPF)。在本調速系統中,電機凋速范圍從3 000 r/min一35 000 r/min,要保證系統穩定運行,LPF輸出不僅要準確,不能漏掉過零點,也不能增加過零點;而且相移要小,最好不超過30°電度角(如果滯后超過30°電角度,對軟件設計中相位補償部分將造成較大困難)。

   反電勢檢測一相原理電路圖如圖2所示。反電勢濾波電路采用二階無限增益多路反饋。其中運放U1及電阻R1、R2、R3、電容C1、C2組成二階有源濾波器。電壓比較器U2、電阻R5組成過零檢測電路,將反電勢波形轉換為方渡,再通過光電耦合輸出到ADuC812的P0口。

    圖2電勢檢測A相原理電路圖

 需要注意的是需合理選擇電阻R2、R3、C2的值,使得電機在最高轉速下相移最好不超過30°電度角。

3.4 PWM調制及邏輯合成電路

如圖3所示,PWM發生器采用美國通用公司的脈沖調制器SG3525A,開關頻率可達200 kHz以上,適合于驅動N溝道MOS功率開關管。它主要包括5 V基準電源、誤差放大器、鋸齒波振蕩器、欠壓鎖定、慢啟動、輸出限流及脈寬調制比較器。輸出脈沖頻率由R8、R9及C3決定。

 圖3 PWM凋制及邏輯合成電路圖

   經對系統分析后,選擇PWM振蕩頻率為16kHz,設計中將SG3525的l腳和9腳短接,使得其內部的誤差放大器接成電壓跟隨器模式,再將單片機D/A輸出接至2腳。這樣,PWM的占空比就由2腳的電壓控制。SG3525的PWM輸出是兩路互差180°的互補信號,每一路最大的占空比為50%一這兩路PWM信號接至U5(GALl6V8)中,與補償后的位置信號PA、PB、PC、BH(保護信號)及KC(開機信號,低電平有效)等信號進行邏輯合成,生成六路功率開關管柵極動作信號.而后經ULN2003驅動電路(U6起到反相、電流放大的作用),助推后送至功率驅動電路

3.5功率驅動電路

   功率驅動電路的主控芯片采用IR2130,電路如圖4所示。IR2130的六個輸入信號(圖4中G1~G6)中任何一個為邏輯低電平時,相應的輸出為高電平,以驅動功率管M0SFET。IR2130采用單電源(15 V)供電,其內部帶有欠壓保護電路,當電源低于8.9 V時,所有輸出信號將關閉。另外,每一個高側輸出都設有一個欠壓自鎖電路,當高側懸浮偏壓源低于8 2 V時,則高側輸出信號被封鎖。懸浮偏壓源由自舉二極管D1~D3,自舉電容C10~C12構成。自舉電容值的大小取決于功率M0SFET的開關頻率及最大開通時間。

 圖4功率驅動電路圖

   同時,為保護功率M0SFET,當主功率電路出現短路、過流故障時,IR2130應封鎖六個輸出驅動信號?,F將主功率母線上串一取樣電阻,并通過分壓網絡W1、R16接至IR2130的9 腳,當9腳電壓超過O.5 V時,IR2l 30的8腳(故障輸出)OC門變為低電平,輸出故障信號FLT,送至U5(BH),以封鎖功率開關管的六個驅動信號S1~S6。當調節電位器W1時,也就調整了保護電流整定值。

   IR2130的輸出阻抗很小,可以快速開關功率MOSFET。這樣,MOSFET漏源極電壓上會產生劇烈振蕩,而帶來不希望的射頻干擾和使dV/dt增大。為此。在柵極上串一無感電阻以降低振蕩,通常來說,如果柵極電阻增大,開關時間變長,開關損耗增大,但尖峰電壓和電流減??;當柵極電阻減小時,所帶來的影響與之相反。

3. 6主功率電路

   功率主電路原理圖如圖5所示。在該系統中,主電路為三相全橋結構,無刷直流電動機星型接法,以“兩相導通三相六狀態”方式運行,即每~狀態中有兩相繞組通電(兩只功率管導通,一上一下),每只功率管導通120°電角度,每過60°電角度,有一只功率管切換.電機每轉過:360°電角度,共有六種磁

   圖5功率主電路原理圖

   正轉時(順時針),六只功率管(MOSFET)導通順序為T1、T6、T1T2、T3T2、T3T4、T5T4及T5T6;反轉時(逆時針),導通順序為T1T6、T5T6、T5T4、T3T4、T3T2及T1T2,因而每當電機運行360°電角度時,定子就有六種磁勢狀態,互差60°電角度,呈跳躍式、不連續。

4結語

在上述電路構成的電路基礎上,同單片機實現軟件PI控制,最終在測試中取得滿意的閉環特性。整個系統的的優越性表現為:

   (1)系統電路整體結構緊湊、可靠性高、調試方便。

(2)本系統中電機轉子位置檢測方法采用電機反電勢交叉過零法。反電勢測電路輸出的位置信號波形清晰、整潔,沒有多余的尖脈沖或寬脈沖,并且占空比保持為50%,這說明了反電勢檢測電路濾波電路設計是比較成功的。如圖6、7所示。

   (a)n = 35000r/min   (b) n = 22000r/min

   圖6A繞組反電勢及反電勢檢測電路輸出波形圖

   (3)采用IR2130為功率驅動核心,一片就可驅動六只功率MOSFET,驅動電路可靠、安全,并且具有過流關斷以及欠壓保護。

   (4)由于采用新型高集成度的單片機ADuc812為控制核心,其內部集成r EEPROM、A/D、D/A,使得主控電路的設汁得到了極大簡化。

   (5)由于采用反電勢過零檢測轉子位置,因而必然存在當電機在停轉或轉速過低時,反電勢無法檢測。在本系統中,采用了三段式起動方法,經過精心調整后,使得電機外同步起動可靠、穩定。

聯系方式
 
 
 工作時間
周一至周五 :8:00-17:00
 聯系方式
于海騰:010-83971821
姜宇:010-83510840
周圍:010-61402950