趙 皋，張向文，黃 友，周俊趙

（桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院， 桂林 541004）

0 引言

三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子采用的是永磁材料制成的永久磁鋼。隨著數(shù)字信號(hào)處理器DSP出現(xiàn)，使得三相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換相控制比較容易[1~3]。永磁體的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠, 定子多相繞組,逆變器和霍爾位置傳感器組成電子換向器。霍爾位置檢測(cè)器相當(dāng)于普通有刷直流電動(dòng)機(jī)的電刷, 逆變器的輸出受霍爾位置傳感器的控制,轉(zhuǎn)子位置決定了繞組電流的相位和繞組磁勢(shì)在空間的分布, 改變轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置, 就可以改變繞組中電流對(duì)電勢(shì)的相位差和電樞反應(yīng)磁勢(shì)對(duì)磁極的相對(duì)位置[4,5]。

本文設(shè)計(jì)使用的是三相橋的上下橋單橋PWM占空比脈寬調(diào)制調(diào)速方法，相比較傳統(tǒng)三相橋上下橋同步PWM占空比脈寬調(diào)制調(diào)速方法安全系數(shù)要高一些，調(diào)節(jié)過(guò)程的復(fù)雜度要簡(jiǎn)化一半，減少了每路上下橋中單橋IGBT的開(kāi)關(guān)次數(shù)，降低了IGBT的發(fā)熱量，使得IGBT的工作效率得以提高。

1 三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制換相控制原理硬件設(shè)計(jì)

三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制硬件原理框圖如圖1所示。三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制使用的是換相控制，需要用到霍爾位置傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)到的位置，霍爾位置傳感器輸出的位置信號(hào)送入DSP2808，DSP2808根據(jù)此時(shí)的位置編碼查表找到相對(duì)應(yīng)的逆變橋6路上下橋開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序。輸出PWM波驅(qū)動(dòng)光耦隔離板，經(jīng)光耦隔離后將5V的PWM波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?3.7V的IGBT門(mén)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而使得三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)的內(nèi)阻與電源形成回路，電流流過(guò)定子產(chǎn)生磁場(chǎng)使得永磁體轉(zhuǎn)子在定子磁場(chǎng)中受力的作用符合安培全電流定律。

圖1 三相BLDC電機(jī)控制硬件原理框圖

在光耦隔離板上設(shè)計(jì)使用的是多路輸出的開(kāi)關(guān)電源，輸入為蓄電池72V直流電壓，輸出為±15V、±12V、+5V。開(kāi)關(guān)電源采用的核心是UC3844，這是一種高性能電流型PWM控制器，利用其輸出控制MOSFET的通斷，MOSFET采用的型號(hào)IRFP840，這樣UC3844就可以控制變壓器原邊的輸入電流大小，從而得到所需副邊電壓為光耦及IGBT驅(qū)動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)供電。如圖2所示。

DSP2808輸出的PWM信號(hào)經(jīng)光耦芯片A316J隔離后輸出13.7V的IGBT門(mén)驅(qū)動(dòng)信號(hào)給逆變橋，如圖3所示為光耦A(yù)316J的外圍電路原理圖 。

圖3 光耦A(yù)316J的外圍電路

Idc信號(hào)對(duì)應(yīng)電流傳感器采樣逆變橋母線過(guò)電流信號(hào)，電流傳感器采樣信號(hào)經(jīng)放大器LMS34D反饋回芯片DSP2808，如圖4所示此電路為AD采樣電路。

圖4 AD采樣電路

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)換相控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)遵循三相六狀態(tài)，根據(jù)三相六狀態(tài)表對(duì)三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行換相。由于使用的霍爾位置傳感器的相位差為120 角，所以根據(jù)實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置列出如表1所示的三相六狀態(tài)表。

主程序首先需要對(duì)硬件和變量進(jìn)行初始化，完成各個(gè)模塊的配置，進(jìn)入循環(huán)等待中斷的到來(lái)，中斷子程序到來(lái)時(shí)，就響應(yīng)中斷并執(zhí)行中斷，執(zhí)行完畢清中斷返回主程序。在中斷程序中設(shè)置了霍爾位置傳感器信號(hào)采樣濾波處理環(huán)節(jié)，防止電磁干擾，調(diào)節(jié)PWM的占空比及PWM輸出頻率也必須在主程序里面配置完成。PWM的輸出頻率必須和霍爾位置傳感器采集位置信號(hào)頻率相匹配，避免轉(zhuǎn)子位置判斷不準(zhǔn)確。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示，中斷程序流程圖如圖6所示。

表1 三相六狀態(tài)表

圖5 主程序流程圖

圖6 中斷程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)

硬件實(shí)物連接圖如圖7所示，圖8為磷酸鐵鋰電池組電壓72V,其與逆變器組成逆變電路。圖7中電機(jī)為額定電流76A、額定電壓72V、額定功率5KW、額定轉(zhuǎn)速2800r/m in的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，逆變器IGBT型號(hào)為MMG200DR060B,參數(shù)為600V-200A，電容為三個(gè)400V-2200u f并聯(lián)組成起緩沖作用。

圖7 電機(jī)連接實(shí)物圖

圖8 磷酸鐵鋰電池組

實(shí)物連接后DSP2808運(yùn)行輸出的PWM波形為如圖9所示，達(dá)到了預(yù)期波形要求。

圖9 三相六狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的六路PWM波形

在一種狀態(tài)的情況下，保持一路PWM為高電平狀態(tài)另一路PWM為可調(diào)占空比的PWM波。這樣就只通過(guò)調(diào)節(jié)一路PWM的占空比就能達(dá)到調(diào)速的目的。PWM波調(diào)速的占空比大小通過(guò)按鍵增加，調(diào)速的PWM頻率為25KHZ，此頻率可以保證調(diào)節(jié)小量的占空比就使得IGBT的門(mén)限電壓達(dá)到5V開(kāi)始開(kāi)通狀態(tài)的要求。占空比逐步增大使得開(kāi)通IGBT電壓也在逐步增加，相對(duì)的橋臂電流也在增加，流過(guò)電機(jī)內(nèi)部定子星形接法的電機(jī)內(nèi)阻產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)增大，而電機(jī)的磁阻不變，磁通量增大，永磁體轉(zhuǎn)子在磁通量逐步增強(qiáng)的磁場(chǎng)中受到的力矩就增大，從而轉(zhuǎn)速增加，因此達(dá)到了調(diào)速的目的。

實(shí)物實(shí)驗(yàn)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/m in時(shí)改變不同的輸入功率相對(duì)應(yīng)的輸出功率曲線如圖10所示，轉(zhuǎn)矩及直流母線電壓與電流曲線如圖11所示。

圖11 轉(zhuǎn)矩及直流母線電壓與電流曲線

由圖10和圖11可以看出隨著輸入功率及轉(zhuǎn)矩的增大，輸出功率逐漸增大到額定功率5KW。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP2808的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)換相控制系統(tǒng)，換相方式是使用霍爾位置傳感器依據(jù)三相六狀態(tài)表來(lái)?yè)Q相，調(diào)速方式為上下橋單橋PWM波占空比調(diào)速，具有過(guò)電流關(guān)閉PWM波輸出功能，最終結(jié)果達(dá)到了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)了電磁干擾問(wèn)題，電磁干擾會(huì)影響霍爾傳感器的位置信號(hào)的測(cè)量精度，霍爾傳感器的位置信號(hào)輸出采用五心屏蔽線防止電磁干擾，在程序中需要對(duì)電磁干擾進(jìn)行濾波處理以保證DSP2808輸出正確的PWM波形。

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