無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)*

楊 蘋，胡郴龍，姜 華

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640)

0 引言

由于無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)(Brushless DC Motor，BLDCM)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有體積小、效率高、調(diào)速精度高和轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)，并具有良好的節(jié)能效果，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在各類驅(qū)動(dòng)裝置和伺服系統(tǒng)中［1-2］。

本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)、外對(duì)無位置傳感器BLDCM變頻調(diào)速系統(tǒng)需求越來越大、要求越來越高的現(xiàn)狀，在理論分析和仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，完成了無位置傳感器BLDCM的變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。使用高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)滿足了電機(jī)控制系統(tǒng)不斷增加計(jì)算速度的要求，同時(shí)引入集成度較高的智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)，提高了產(chǎn)品的模塊化水平。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、控制靈活、實(shí)用性強(qiáng)。

1 BLDCM系統(tǒng)工作原理

BLDCM系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)電路三部分組成［3］。直流電源通過開關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，位置傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子所處的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而自動(dòng)控制繞組的通斷電，實(shí)現(xiàn)電子換向。與BLDCM系統(tǒng)相比，無位置傳感器BLDCM系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子位置信息是通過處理器進(jìn)行計(jì)算獲得的，其原理圖如圖1所示。

圖1 無位置傳感器BLDCM原理框圖

目前，BLDCM無傳感器控制［4-5］較為典型的控制方法有反電勢(shì)法、定子三次諧波法、渦流效應(yīng)法、磁通估計(jì)法等［6］，其中反電勢(shì)法是一種最簡(jiǎn)單實(shí)用的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法。由于BLDCM的繞組反電勢(shì)波形直接反映轉(zhuǎn)子的位置，因此可以利用繞組反電勢(shì)來獲取轉(zhuǎn)子的位置信息。對(duì)于采用兩相導(dǎo)通三相六拍運(yùn)行方式的BLDCM而言，三相繞組中在任意時(shí)刻總有一相處于斷開狀態(tài)，檢測(cè)斷開相的反電勢(shì)信號(hào)，當(dāng)其過零點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組軸線重合，再經(jīng)過30°電角度按照開通順序進(jìn)行換相。故只要檢測(cè)到各相反電勢(shì)的過零點(diǎn)，即可獲知轉(zhuǎn)子的若干個(gè)關(guān)鍵位置，這就是反電勢(shì)法的基本原理［7］。反電勢(shì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)法在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)前，必須對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行定位后才能進(jìn)行正常的位置計(jì)算。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無位置傳感器BLDCM變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由主電路、控制電路和輔助電路三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。主電路包括整流和斬波電路及IPM功率和檢測(cè)電路;控制電路即DSP調(diào)速控制器模塊;輔助電路主要由系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電源模塊及人機(jī)接口電路構(gòu)成。

圖2 變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 主電路設(shè)計(jì)

本文介紹的無位置傳感器BLDCM變頻調(diào)速系統(tǒng)是基于交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)溥M(jìn)行的硬件設(shè)計(jì)，交-直-交變頻的基本組成電路有整流和逆變兩部分，整流電路將工頻交流整流成直流電，逆變電路再將直流電逆變成為頻率可調(diào)的交流電。根據(jù)方波BLDCM的運(yùn)行原理，逆變電路輸出的不是正弦交流電而是方波交流電。

(1)整流和斬波電路。

根據(jù)系統(tǒng)中所選樣機(jī)的工作參數(shù)，必須把整流后的直流電壓降到電動(dòng)機(jī)的額定工作電壓，以提供給IPM作為直流母線輸入，系統(tǒng)中的整流和斬波模塊即實(shí)現(xiàn)該功能。為適應(yīng)變頻調(diào)速的需要，變頻電源必須在變頻的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整。該系統(tǒng)中采用不可控整流器整流，在直流環(huán)節(jié)增加斬波器實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。這種方式由于使用不可控整流，電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)較高［8］。此時(shí)逆變器本身只調(diào)節(jié)輸出電壓的交變頻率，調(diào)壓和調(diào)頻分別由兩個(gè)環(huán)節(jié)完成。該系統(tǒng)中整流和斬波模塊電路設(shè)計(jì)如圖3所示，該電路是基于脈寬調(diào)制(PWM)變換器主電路拓?fù)渲械?Buck變換器原理［9］設(shè)計(jì)的。該電路可以簡(jiǎn)單地看成是一個(gè)有低通濾波器的電壓斬波器，開關(guān)頻率約設(shè)定為50 kHz，占空比約為20%，PWM控制芯片選用UNITRODE公司的UC3842A，采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)作為開關(guān)管。

圖3 整流和斬波模塊電路

該整流斬波模塊最大輸出功率為720 W，輸出電壓為BLDCM樣機(jī)的額定工作電壓36 V DC，最大輸出電流限額為20 A。

(2)IPM功率電路。

IPM功率和檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)中無位置傳感器BLDCM的工作電源逆變和運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)的任務(wù)，直接影響電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行和控制器的控制精度。

IPM包含了IGBT芯片及外圍的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，是一種集成型功率器件。由于其簡(jiǎn)單易用、性能穩(wěn)定及日趨走低的價(jià)格而獲得了廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)所用的IPM選用三菱電機(jī)株式會(huì)社的第三代DIP-IPM PS21865。該芯片具有如下典型特點(diǎn):低損耗;采用自舉電路結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)單電源驅(qū)動(dòng);內(nèi)置有IGBT驅(qū)動(dòng)電路，過載保護(hù)，控制電源欠壓保護(hù);內(nèi)置專用HVIC(High Voltage IC:600 V)，無需絕緣電路(如光耦)等。雖然 IPM PS21865已經(jīng)提供了方便的控制接口，但為了系統(tǒng)安全，還是建議使用4組隔離電源供給IPM使用(即上三橋各一組，下三橋共一組)，U、V、W相控制信號(hào)輸入端子使用光耦隔離方式。

基于IPM PS21865的逆變器外圍電路設(shè)計(jì)如圖4所示，上三橋各自用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源，下三橋共用一路驅(qū)動(dòng)電源。在IPM驅(qū)動(dòng)電源的輸入端，建議設(shè)計(jì)濾波電路，以防止上、下橋驅(qū)動(dòng)電源短路，造成變頻器損壞。

圖4 基于IPM的逆變器外圍電路

(3)電壓和電流檢測(cè)電路。

欲實(shí)現(xiàn)DSP的無位置傳感器BLDCM的變頻調(diào)速控制，首先必須解決電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)問題。本系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)各相采用分壓電阻采集相電壓，再經(jīng)由高精度運(yùn)放OP177組成的電平抬高電路后傳送至TMS320LF2407A的A/D轉(zhuǎn)換口，進(jìn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)星型中性點(diǎn)電壓進(jìn)行計(jì)算，以獲得轉(zhuǎn)子位置信息。以BLDCM U相為例，圖5所示為系統(tǒng)采用的相電壓檢測(cè)電路。為防止定子換相時(shí)刻的高次諧波干擾，應(yīng)在Ru2兩端添加濾波電容，并且Ru2宜采用無感功率電阻。

圖5 電壓檢測(cè)電路

系統(tǒng)欲實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，也必然要引入直流母線電流檢測(cè)。本系統(tǒng)中為了提高電流檢測(cè)精度，方便硬件設(shè)計(jì)，采用了Max472專用電流檢測(cè)芯片。Max472是美國(guó)美信公司生產(chǎn)的精密高端電流檢測(cè)放大器，它有一個(gè)電流輸出端，可以用一個(gè)電阻來實(shí)現(xiàn)以地為參考點(diǎn)的電流/電壓轉(zhuǎn)換，無需另加放大電路，并可工作在較寬的電壓和較大的電流范圍內(nèi)。圖6為電流檢測(cè)電路的原理圖。

圖6 電流檢測(cè)電路

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

DSP調(diào)速控制器模塊是無位置傳感器BLDCM變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，通過串行接口接收人機(jī)接口模塊的控制命令、發(fā)送電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行信息，利用PWM輸出進(jìn)行調(diào)速控制。

TMS320LF2407A［10］最小系統(tǒng)的搭建，是整個(gè)控制模塊實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。與單片機(jī)最小系統(tǒng)類似，DSP的最小系統(tǒng)一般包含如圖7所示的幾部分，其中外擴(kuò)SRAM和JTAG不是DSP最小系統(tǒng)必須的部分，只是為了調(diào)試方便，通常在設(shè)計(jì)時(shí)把它們納入最小系統(tǒng)的范疇。

圖7 DSP最小系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)完DSP的最小系統(tǒng)后，根據(jù)實(shí)際需要選擇所需的外設(shè)接口。對(duì)于閑置的I/O口，除了DSP技術(shù)手冊(cè)明確指出該如何處理外，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低功耗，對(duì)這些閑置的I/O口通常做如下處理:對(duì)于一般的I/O口，簡(jiǎn)單的可以空置，然后程序里面初始化為輸出引腳;對(duì)于中斷引腳，內(nèi)部一般都有弱上拉，為了提高可靠性，可以再外接一個(gè)上拉電阻。

TMS320LF2407A的事件管理器是電動(dòng)機(jī)變頻控制的核心部分，它與IPM接口部分的優(yōu)劣直接影響整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雖然該系統(tǒng)所選用的IPM PS21865可以直接由單片機(jī)或者DSP驅(qū)動(dòng)，但是為了系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠，還是建議采用光耦隔離驅(qū)動(dòng)的方式。

本文選用了IPM專用的美國(guó)安捷倫高速光耦HCPL4504，該光耦瞬時(shí)隔離達(dá)15 kV/μs。圖8為DSP事件管理器PWM輸出與IPM的隔離驅(qū)動(dòng)電路。為防止電磁干擾，選用了單獨(dú)一路的集成邏輯器件，以保證信號(hào)走線足夠短(小于2 cm)。

圖8 隔離驅(qū)動(dòng)電路

2.3 輔助電路設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電源模塊。

該系統(tǒng)采用嵌入式變頻器專用電源JS158，它是專門為設(shè)計(jì)逆變器裝置而又使用IPM的嵌入式系統(tǒng)級(jí)開關(guān)電源，具有獨(dú)立的8路輸出，輸出電流強(qiáng)勁，輸入電壓范圍寬，保護(hù)齊全。該電源模塊輸入直流電壓為170～700 V，額定功率為60 W;8路輸出。其中除了上三橋和下三橋的驅(qū)動(dòng)電源外，5 V電源可以供給控制系統(tǒng)處理器，24 V電源可以供給繼電器或強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)風(fēng)扇的電源，±15 V可以供給運(yùn)算放大電路電源。該系統(tǒng)級(jí)電源模塊特別針對(duì)使用IPM的逆變器變頻系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)強(qiáng)勁，大多交-直-交變頻系統(tǒng)都適用。為了系統(tǒng)安全可靠，建議采用類似的電源模塊，以防止上、下橋驅(qū)動(dòng)電源短路，造成功率模塊損壞。

(2)人機(jī)接口模塊。

作為系統(tǒng)級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)，為了便于用戶控制和檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，本文設(shè)計(jì)了人機(jī)接口模塊。該人機(jī)接口模塊由AT89C52控制，其系統(tǒng)原理圖如圖9所示。

圖9 人機(jī)接口系統(tǒng)

圖10為接口模塊的數(shù)據(jù)顯示電路，該顯示電路由AT89C52單片機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，為了節(jié)約IC數(shù)量和PCB面積，這里采用了數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的方法，7段數(shù)碼管的編碼驅(qū)動(dòng)芯片為74LS47，為共陽極七段數(shù)碼管編碼驅(qū)動(dòng)器。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用1臺(tái)三相Y型BLDCM與基于TMS320LF2407A的DSP及IPM PS21865共同構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成了軟件的設(shè)計(jì)，并在此系統(tǒng)上對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以證明其可行性。

系統(tǒng)中使用的BLDCM的參數(shù)如下:額定輸出功率 300 W，額定電壓 34.5 V，額定電流15.5 A，額定轉(zhuǎn)速為 3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為0.955 N·m，轉(zhuǎn)矩系數(shù)為0.065 6 Nm/A，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為0.065 Vs/rad，電樞繞組電阻(每相)為0.438 Ω，電樞繞組電感(每相)為0.632 mH，定子相數(shù)為3，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.000 005 66 Kg·m2。

對(duì)所設(shè)計(jì)的無位置傳感器BLDCM變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。通過鍵盤輸入不同的給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)均能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效跟隨，可以看出系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能;當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定而負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)保持了良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性;對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了過載和超速等試驗(yàn)，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，控制過程安全可靠。

圖10 數(shù)據(jù)顯示電路

4 結(jié)語

本文介紹了一種無位置傳感器BLDCM變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)論述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過程，包括整流斬波電路設(shè)計(jì)、IPM逆變電路設(shè)計(jì)和控制電路設(shè)計(jì)等。該系統(tǒng)使用高性能DSP滿足了電機(jī)控制系統(tǒng)不斷增加計(jì)算速度的要求，同時(shí)引入集成度較高的IPM PS21865，提高了產(chǎn)品的模塊化水平。試驗(yàn)結(jié)果表明，無位置傳感器BLDCM變頻調(diào)速系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能，控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠;同時(shí)也證明了該系統(tǒng)硬件符合設(shè)計(jì)思路要求。

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