“反电动势法”永磁直流无刷电机控制系统设计

O 引言
    永磁直流无刷电机(BLDCM)是一种典型的机电一体化电机，除了有普通直流电机调试性能好、调速范围宽和调速方式简单的特点外，还有功率因素高、转动惯量小、运行效率高等优点，特别是由于它不存在机械换相器与电刷，大大的减少了换相火花，机械磨损和机械噪声，使得它在中小功率范围内得到了更加广泛的应用，是电机的主要发展方向之一。
    对于永磁直流无刷电机的控制方式，可以分为两大类：有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。典型的有位置传感器控制方式是使用霍尔传感器控制方式。无位置传感器控制方式是目前比较广泛使用且较为新颖的一类控制方式，包含有：反电动势控制方法、磁链计算法、状态观测器法和人工神经网络(ANN)控制法等。反电动势控制方法中对驱动桥和电机在外电路过流时的保护极为重要，对软件发生错误动作时负载的保护也提出了较高的要求，本文采用反电动势控制方法，以直流无刷稀土电机为研究对象，设计了两个电流保护模块和一个数字逻辑保护电路，提高了系统工作时的安全性，具有较大的研究意义。

1 控制系统总体设计
    本系统采用PWM反馈控制方式的典型闭环调速系统其中还创新性的加入了逻辑保护电路和两路电流保护电路，控制系统总体设计框图如图1所示。由转速参考值n0与实际转速的反馈值n相比较，得到的偏差送到转速控制器，经过相应的计算后输出控制信号到PWM控制器，PWM控制器则产生三相桥试逆变器主开关的控制信号，然后由主开关完成对永磁无刷直流电机定子电流的通断，并产生平均意义上旋转的定子电枢合成磁势，由定子电枢合成磁势带动永磁体转子旋转，实现了永磁无刷直流电机的自同步控制。
    研究对象永磁直流无刷稀土电机将磁体粘贴到转子铁心表面，组成所谓的隐极式转子结构。其定子三相对称绕组采用整距、集中绕组，无中线引出线，由电机学原理可知反电动势的波形为一梯形波，而且电机中A、B、C三相是对称的，它们的反电动势只在相位上依次落后120度。再考虑到定子每相绕组的反电动势正比于转子角速度，有图2所示关系。

由此得出反电动势法控制规律的重要结论为：通过测量反电动势获取转子位置信号，并不是测量反电动势大小，而是反电动势的过零点信号，当反电动势出现过零点后再延时30度电度角就是转子电流下一次换相时刻。但反电动势无法直接测量得到，可通过测量电机端电压来间接获取电机反电动势。

2 系统硬件设计
    该系统硬件电路设计重难点在于驱动逆变电路，转子位置检测电路和电路保护模块三大部分。驱动逆变电路包含驱动芯片和驱动桥式电路两个部分，驱动芯片采用IR2130驱动芯片，它是专用的三相桥式电路驱动芯片，可以直接驱动中小容量的MOSFET、IGBT、MCT等，而且只需一个供电电源，工作频率从几十赫兹到上百千赫兹，内部还设置有过流和欠压保护使得在驱动功率管时更加安全可靠。
    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，而且是通过检测电机的端电压来实现的。电路设计如图4所示。

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，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R10于Rll将驱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Q1、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

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；(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

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。