（电力电子与电力传动专业论文）三相无刷直流电机控制系统设计.pdf

广东工业人学工学硕上学位论文 关键词：三相无刷直流电机； a t m e g a 8 l 单片机； e c n 3 0 2 0 6 集成驱动器；p i d 闭环控制 i i a b s t r a c t a bs t r a c t t h r e ep h a s eb r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) w i t hp e r m a n e n te x c i t a t i o n ，w h o s e e l e c t r i c a lc o m m u t a t o ri su s e dt oi n s t e a do fm e c h a n i c a l ，h a sn o to n l yt h es a m eg o o d c h a r a c t e r i s t i c so fs p e e dc o n t r o la st r a d i t i o n a ld cm o t o r , b u ta l s ot h e g o o d c h a r a c t e r i s t i c so fa cm o t o rs u c ha s s t r u c t u r e s i m p l e ，o p e r a t i o nr e l i a b l e ， m a i n t e n a n c ef r i e n d l y b r u s h l e s sd cm o t o rh a ss e tw i d ea p p l i c a t i o nd u et oi t sh i g h p o w e rd e n s i t y , e a s et oc o n t r o l ，h i g he f f i c i e n c yo v e rw i d es p e e dr a n g e t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h es t u d ys t a t u so fp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd c m o t o ri nh o m ea n da b r o a d ，a n dt h e nd i s c u s s e di t ss t r u c t u r e ，o p e r a t i o np r i n c i p l e s ， c h a r a c t e r i s t i c sa sw e l la si t sr o t o rp o s i t i o ns i g n a ld e t e c t i o nm e t h o d si nd e t a i l ；s e c o n d l y , d e s i g n e dt h ec o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r e a n ds o f t w a r ea c c o r d i n g l y ；越l a s td e b u g g e d t h e c o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z e dt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma n dg a v e t h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fc o n t r o ls y s t e ms u c ha sd e s i g np a r a m e t e r s ，c o s t a n df l e x i b i l i t y , t h i sp a p e rd e s i g n e da t m e g a 8 ls c ma n de c n 30 2 0 6i n t e g r a t e dd r i v e r a st h ec o r eh a r d w a r ep l a t f o r m a t m e g a 8 ls c mp o s e dr o t a t i o ns p e e dp i dc l o s e d l o o p c o n t r o lo nt h es y s t e ma n dr e g u l a r l y c o l l e c t i n g c u r r e n ts i g n a lf o rt h ec u r r e n t o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o n ；u s e dt h em a x 7 219s e r i a ld i s p l a yt h ec u r r e n t ，r e l a t e dt of a u l t i n f o r m a t i o n ；c o n t r o l l e dp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r sr o t a t ed i r e c t i o na n d r e c e i v e de x t e r n a li n f o r m a t i o n ，t h r o u g ht h ei s o l a t i o no ft h ep h o t o e l e c t r i c ；e x c h a n g e d i n f o r m a t i o n ，a n a l y z e da n dp r o c e s s e dt h ev a r i o u si n f o r m a t i o n ，c o o r d i n a t e dv a r i o u s p a r t sw o r k i n gt h r o u g ht h er s 一4 8 5b u si n t e r f a c ew i t ho t h e r o u t s i d es y s t e m s t h i sp a p e rc o m p i l e dap r o g r a mb a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mt oc o o r d i n a t i o n w i t ht h eh a r d w a r e t h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi s c o m p r i s e db y o n e f o r e a n d a f t p l a t f o r mm a i np r o g r a ma n dt w oi n t e r r u p t s e r v i c es u b p r o g r a m t h e f o r e a n d - a 爨p l a t f o r mm a i np r o g r a mi sm a d eu pb yt h es y s t e mi n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ， t h er o t o rs p e e dc o m p u t i n ga n dp i ds p e e dc l o s e d l o o pc o n t r o lc o m p o n e n t t h es y s t e m i i i 广东工业人学工学硕士学位论文 i n i t i a l i z a t i o nm o d u l em a i n l yi n i t i a l i z e st h et h r e et i m e r s ，a dc o n v e r t e r , s e r i a lu a r t , i op i n s a f t e rs y s t e mi n i t i a l i z a t i o n ，t h em a i np r o g r a mc o m p u t e st h eb l d c sr o t o r s p e e da n dc o m p a r e dt ot h es e ts p e e dv a l u ea n dt h e ni ts e n dt h ee r r o rt ot h ep i d c o n t r 0 1 t h ep i dc o n t r o l l e rw i l lc h a n g et h ev o l t a g eo ft h ee c n 3 0 2 0 6i n t e g r a t e dd r i v e r sv s p p i n sa c c o r d i n gt ot h ed u t yc y c l eo fp w m i n t h i sw a yt h er o t o rs p e e dw a sc o n t r o l l e d a c c o r dw i t ht h eu s e r ss e t t i n gv a l u e o n eo ft h ei n t e r r u p ts u b p r o g r a mm a i n l yu s e dt o r e c e i v et h ec o n t r o lo r d e rf r o mt h ee x t e r n a ls y s t e m ，w h i c hc o m p o s e do fr o t o rd i r e c t i o n ， r o t o rs p e e dv a l u e t h eo t h e ri sm a i n l yu s e dt od e t e c tt h ec u r r e n ta n dd i s p l a yt h es p e e d a n dr e l a t e df a i l u r e sr e g u l a r l y i nt h i sp a p e r ，t h eb r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o ls y s t e ma c h i e v e dt h er o t o rd i r e c t i o n ， s p e e dc l o s e d l o o pp i dc o n t r o l ，a n dv a r i o u sp a r a m e t e r sd e f e c td i s p l a y t h ec o n t r o l s y s t e mh a sap e r f e c tp r o t e c t i o n ，s i m p l eh a r d w a r es t r u c t u r e ，l o w e rc o s t t h em a i n c o n t r o ls e c t i o n ，d r i v e rs e c t i o na n dd i s p l a ys e c t i o nc a nc h o o s ea r b i t r a r yb yt h eu s e r k e y w o r d s ：t h r e ep h a s e b l d c m o t o r ； a t m e g a 8 l m i c r o - c ； e c n 3 0 2 0 6i n t e g r a t e dd r i v e r ；p i dc l o s e d - l o o pc o n t r o l i v 广东工业人学工学硕l 学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 l l 指导教师签字：翟牝 论文作者签字铜、青 纱砖年歹月矽日 第一章绪论 1 1 课题依据及意义 第1 章绪论 无刷直流电机是近几年来小电机行业发展最快的品种之一，随着视听产品 小、轻、薄化和家电产品的静音节能化以及豪华型轿车需求量增多，无刷直流电 动机需要量迅速增加；无刷直流电机用电子换向替代了电刷和换向器，具有高可 靠、高效率、寿命长、调速方便、低噪音等优点。国内近年来在无刷直流电机的 设计及控制方面有很多的研究，但与国外成熟的产品相比还有很多地方值得提高， 并且很多无刷直流电机生产商都没有给出具体的控制方案，因此在无刷直流电机 控制方面的研究是非常有必要的。 由于无刷直流电机具有体积小、重量轻、效率高、调速性能好、转动惯量小、 没有励磁损耗等问题，因此在各个领域具有广泛的应用前景。一方面，无刷直流 电机与其他异步电机相比具有明显的优势如反馈装置更简单、功率密度更高、输 出转矩更大、并且电机和逆变器各自的潜力得到充分的发挥，因此无刷直流电机 的应用和研究得到了前所未有的重视。据资料统计统计表明无刷直流电机的使用 每年以较高比例增长。另一方面无刷直流电机与有刷直流电机相比有更多的优点 如电机本体结构简单、运行时无火花、电磁干扰小，无噪声等，因此具备广泛应 用前景。n 3 目前在家用电器方面，大多使用异步电机，但是随着人们生活水平的提高对 各种家电的质量、性能提出了更高的要求；随着能源的日益匮乏特别是燃油方面， 对高效节能也有更高的要求，国家十一五计划也明确提出过限制耗能产业发展， 因此采用无刷直流电机来代替性能差、效率低的异步电动机成为大势所趋。现在 在高档电扇中已经采用了无刷直流电机，在新一代的空调、洗衣机、电冰箱、吸 尘器等家电中已逐渐用无刷直流电机取代了异步电动机，因此研究无刷直流电机 及其控制意义重大。 广东工业人学工学硕上学位论文 1 2 无刷直流电机的发展 电机作为主要的能量转换装置，已被广泛应用于家用电器、信息处理设备、 汽车工业、机器人等各个领域。直流电机具有优秀的线性机械特性、宽的调速范 围、大的启动转矩、简单的控制电路等优点被广泛应用于于各种驱动装置和伺服 系统中，但是直流电机是依靠换向器和机械电刷进行换向，由于换向器和电刷的 接触，使直流电机结构复杂、可靠性差、变化的接触电、产生电火花、电磁干扰， 噪声等一系列问题、影响了直流电机的性能。因此从上个世纪以来人们就开始研 究一种不用机械电刷和换向器的直流电机。1 9 5 5 年，美国d h a r r i s o n 等人首次 成功的实现了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷，这标志着现代无刷 直流电机的诞生。心1 二十世纪六十看年代以来，由于高性能新型永磁材料、大功率开关器件、模 拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论的发展，“无刷直流电机的 概念已由最初的具有电子换向的直流电动机发展到泛指一切具有“有刷直流电机” 外部特性的电子换向电机。无刷直流电动机真正进入实用阶段是从1 9 7 8 年开始， 当时前德国某公司在汉诺威贸易博览会上，正式推出一款经典无刷直流电动机及 其驱动器。8 0 年代，国际上开展了深入的研究，先后研制成方波无刷直流电机和 正弦波无刷直流电动机，在1 0 多年的时间里，无刷直流电动机在国际上已得到 较为充分的发展，在一些较为发达的国家里，无刷直流电动机将在未来几年内成 为主导电动机，并逐步取代其他类型的电动机。现在许多高档精密型产品都用无 刷直流电机，日本的不少公司已将无刷直流电机应用到数码照相机、微型收录机、 摄影机、打印机、存储驱动器、手机以及汽车空调、洗衣机、吸尘器、电动车、 心脏泵等领域。【2 】 1 3 无刷直流电机控制系统研究现状 现阶段国内外无刷直流电机控制的研究主要包括转子位置检测及功率开关 管的状态切换、速度调节、转矩脉动的抑制、无刷直流电机的起动。“儿钉 m 力 一、转子位置检测及开关状态切换 2 第一章绪论 无刷直流电机的运行是通过逆变器功率器件随转子的不同位置相应地改变 其不同的开关管组合状态来实现的，因此准确检测转子的位置并根据转子位置准 时切换功率器件的开关组合状态是控制无刷直流电机正常运行的关键。 1 、用位置传感器检测转子位置及开关状态切换 利用传感器得到的不同位置信号经过门电路、模拟开关或专用芯片就可以得 到不同的开关逻辑信号，实现开关状态的自动切换，随着微处理器的应用，也可 以通过软件来进行切换，无刷电机常用的位置传感器有磁电感应式、磁敏式和光 电式。磁电式位置传感器既笨重又复杂，在方波电机中早已被淘汰。磁敏式霍尔 位置传感器由于体积小，简单可靠的特点而被广泛应用。光电式如光电码盘因高 精度的特点而广泛应用于伺服系统中。但位置传感器的使用增加了电机的体积， 且需要多根信号线，这给无刷直流电机的微型化带来了困难，也增加了电机制造 的工艺要求和成本。 2 、无位置传感器检测转子位置及开关状态切换 为了省去位置传感器，根据各相反电势随转子位置改变的原理有些专家提出 了端电压检测法，把三相端电压经低通滤波器延时9 0 度电角度，再经比较电路得 到开关逻辑信号。但该方法存在着低通滤波器在电机低速时延对不足9 0 度电角度 的情况，导致触发信号提前切换，对电机电流、转矩产生较大的影响，严重时甚 至会引起电机失步。因此，又有人在此基础上进行补充，低速时，采取三相端电 压两两比较直接得出触发逻辑信号的方法，在整个运行段，根据不同的转速，在 两个位置检测电路之间进行切换。随着微处理器的应用，利用软件的延时对方法 可以完全简化端电压检测法的位置检测电路。沈建新在电工报发表文章提出用三 相端电压和比较电压间接得到绕组反电势的过零点，然后用软件延迟l 1 2 周期的 时间再切换触发信号。但由于凸极电机中电枢反应和检测电路滤波器的影响会导 致电机超前或滞后换流，因此他又发表了一文章对此进行了修正，并取得了良好 的效果。“端电压检测法”虽能完成转子位置的检测，但由于绕组的反电势正比 于转子的转速，因此，在低速时就很难检测到反电势而会导致电机失步。 二、速度调节 根据无刷直流电机的机械特性转速为： n = ( u - a u - i a v r a y ) k e ( 1 1 ) 广东工业大学t 学硕卜学位论文 因此可以通过调节端电压u 或定子电流i a v 来实现调速。有学者介绍了利用降 压型载波电路和两象限载波电路来进行调速的两种方法，两象限电路由于可以很 快地控制电流，因此其动态性能远远高于只是靠通过调节端电压来调速的降压型 电路，且前者还有回馈制动的功能，电流脉动也比后者小得多。也有人提出了用 p w m 信号作为功率器件的触发信号，用调节p w m 信号的占空比的方法来调速，该方 法可以直接控制电机的相电流，因而调速性能更佳，也可以很好地抑制电流的脉 动。 高性能的调速系统，尤其是速度伺服系统，需要有一适合于系统的控制策 略，即速度调节器。大部分系统采用了数字p i d 调节器，但这对交流伺服系统有一 定的局限性，因些就有专家采用p i d 控制与模糊控制相结合的f u z z y p i d 控制对速 度环进行控制，取得了良好的效果，使系统具有f u z z y 和p i d 控制的双重优点，且 在不同的负载下具有较强的鲁棒性。无刷直流电机是一个多变量、非线性、强耦 合的对象，因此利用模糊控制、神经网络控制、专家系统等具有自学习、自适应、 自组织功能的智能控制来进行对无刷直流电机的控制是一种有效的手段，这也是 高性能伺服系统发展的趋势。但仅仅对速度的控制是远远满足不了伺服系统的要 求的，要提高系统的性能，必须对电机的转矩进行控制。 三、转矩脉动的抑制 伺服系统的控制关键是对转矩的控制，但由于各种原因引起的转矩脉动问题 严重影响了无刷直流电机在交流伺服系统中的应用，尤其在直接驱动应用的场合， 转矩脉动使电机速度控制特性极度恶化。因而，抑制转矩脉动成为提高伺服系统 性能的关键。对于齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动的抑制有关专家提出了除 从电机设计的角度进行改善外还要采用转矩闭环控制；对于相电流换向引起的转 矩脉动的抑制有关专家提出了用滞环控制和p w m 控制来抑制电机低速段的转矩脉 动的方法，实验中也取得效果，但没有对电机高速段的转矩脉动提出相应的办法。 四、无刷直流电机的起动 对于有位置传感器的无刷直流电机来说，顺利起动是不存在什么问题了。但 对于靠反电势进行位置检测的无位置传感器的无刷直流电机来说，由于静止时不 产生反电势，从而使得怎样顺利起动成了控制无位置传感器的无刷直流电机的重 4 第一章绪论 要问题。目前一般的方法是，先采用他控式使电机加速，然后再切换到自控同步 方式。 1 4 课题研究的主要内容 本课题是美的集团电机事业部广东威灵电机有限公司的新型空调电机项目。 结合国内外空调电机的控制方法，依据三相永磁无刷直流电机的特性，本课题将 设计了一套三相永磁无刷直流空调电机控制方案。厂家技术指标要求如下：无刷 电机供电电压为直流3 1 0 v ，最大工作电流为1 a ，功率6 0 3 0 0 w 。其主要内容如下： 1 系统地总结概括了永磁无刷直流电机控制系统的基本结构和工作原理，并分析 了其运行特性； 2 设计价格低廉的主控电路、驱动电路、显示电路、和通信电路的硬件部分及其 硬件调试； 3 编写控制系统软件及软件调试。对无刷直流电机进行p i d 转速闭环控制及电流 检测及定时显示工作电流、转速及一些故障，并可以通过上位机向下位机设定 如电机转向、转速等量。 4 给出本控制系统运行的实验波形，并总结系统调试过程中遇到得一些实际问题 以及相应的解决方法； 5 对本系统进行电磁兼容分析和设计，提出一些减小电磁干扰的具体措施和方 法，包括硬件和软件抗干扰设计。 广东工业大学t 学硕十学位论文 2 1 引言 第2 章三相无刷直流电机运行原理 直流电机借助电刷和换向器使电枢磁场与定子磁场须始终相互垂直，但是电 刷和换向器在电机转动时会产生火花，电刷和换向器易坏，使用场合也受到限制； 交流电机没有电刷和换向器，免维护，坚固，应用广，但不像直流电机那样响应快、 起动转矩大、调速范围广等优点，要实现也必须借助复杂的控制系统，因此人们 就研究一种既具有直流电机的优点又有交流电机的优点的电机一一无刷直流电 机。本论文以广东威灵电机有限公司生产的空调三相永磁无刷直流电机为例论述 三相永磁无刷直流电机的构成、运行原理、位置信号检测方法。n 3 1 2 2 三相无刷直流电机的结构及工作原理 2 2 1 空调三相永磁无刷直流电机的构成 空调无刷直流电机主要由四部分组成：电机本体、位置检测电路、电子开关 电路及3 1 0 v 直流电源。其组成原理框图如图2 1 所示： 图2 一l 空调无刷直流电机结构图 1 、电机本体。空调三相永磁无刷直流电机本体与其他电机本体一样由转子 和定子组成。空调永磁无刷直流电机转子上装配高性能稀土永磁材料制成，常用 6 第2 章三相无刷直流电机运行原理 的有三种结构形式，如图2 - 2 所示，其中图2 2 ( a ) 结构是转子铁心外圆粘贴瓦片 形永磁体；图2 - 2 ( b ) 结构是在转子铁心中嵌入矩形板状永磁体；图2 - 2 ( c ) 结构 是在转子外套一个整体粘结稀土环的永磁体2 2 ( a ) 和图2 - 2 ( b ) 结构的永磁无 刷直流电机的转子外径套有一个紧圈，以防止电机在高速运行时离心力将永磁体 甩出，同时在盐雾等恶劣的环境中也对永磁体起保护作用。紧圈的材料通常用不 导磁不锈钢，也可用环氧无纬玻璃丝带缚扎，图2 - 2 ( c ) 结构适用于体积和功率 较小的永磁无刷直流电机，该种结构的转子的制造工艺性较好。永磁无刷直流电 机的定子结构与普通的同步电机及异步电机相同，铁心中嵌放对称多相绕组，绕 组可接成星形或三角形，并分别与逆变器中各电子开关管相连接。 2 、位置检测电路。永磁无刷直流电机常用的位置检测方法有两种，一种是 有位置传感器检测，另一种是无位置传感器检测。他们都是用来检测转子磁极相 对于电枢绕组轴线的位置，并向控制部分提供位置信号，详细论述将在本章位置 检测中分析。 s 仁) 轧形静e t 磁化f b 矩形功翔磁 艺c 环形经翔遴纯 图2 - 2 三种常见的转子结构图 f i g 2 2t h r e ec o m m o nr o t a t es t r u c t u r eb l o c k s 3 、电子开关电路，电子开关电路由逆变器和驱动电路组成；逆变器主电路 有桥式和非桥式两种，电枢绕组有星形联结和三角形两种接法，用得最广泛的是 星形接法。驱动电路将控制的输出进行功率放大，并控制子开关管的“通”、“断 信号。 空调永磁无刷直流电机中的逆变器电路起到类似于传统直流电机中换向器 的作用。逆变器电路形式主要有桥式和非桥式两种。图2 - 3 和图2 4 分别给出了 7 广东工业大学工学硕t 学位论文 三相星形三状态三相半波逆变器电路和三相星形六状态三相全波逆变器电路及其 对应输出的方波电流。图2 - 3 电路简单且每项绕组仅通电1 2 0 。电角度，绕组利 用率差；图2 4 桥式逆变电路向电机绕组提供宽为1 2 0 。电角度的三相对称方波 电流，每相绕组通电2 4 0 。电角度，与图2 3 相比提高了绕组利用率。三相六状 态电路中，定子磁场步进角为6 0 。电角度，比三相三状态电路的定子步进磁场 1 2 0 。电角度小，降低了转矩脉动。实际应用中三相星形六状态的逆变器电路用得 比较广泛。三相星形六状态的逆变电路如图2 4 所示，功率开关管t 卜t 6 通常为 功率晶体管g t r 、功率场效应晶体管m o s f e t 、绝缘栅晶体管i g b t 、可关断晶闸 管g t o 以及m o s 栅控晶闸管、m c t 等功率电子器件。晶闸管适用于中大功率电 机、晶体管适用于中小功率电机。各种晶体管由于容量、开关频率、价格等不同 应按电机的实际工作状况进行合理选用。哺即 + h l 乒卜 k 卜_ 县 图2 - 3 三相半波逆变电路及相电流波形 + j：- d ；i ： 【 f r订、幅1 、 争 人 u 1( 他 秘 ：i 一 t 6 r i v 。，c ) 的电压信号比例系数为1 8 5 m v a 。该传导通路的内电阻 通常是1 2m q ，具有较低的功耗。铜线的粗细允许器件在可达5 a 的过电流条 件下运行。传导通路的接线端与传感器引脚( 引脚5 到8 ) 是电气绝缘的。 这让 广东工业大学工学硕士学位论文 a c s 7 1 2 电流传感器可用于那些要求电气绝缘却未使用光电绝缘器或其它昂贵绝 缘技术的应用。比叫心1 1 3 a c s 7 1 2 电流检测电路 本控制系统由a c s 7 1 2 组成的电流检测电路如图3 - 6 所示。由于a c s 7 1 2 在电 流为零时7 脚v o 输出2 5 v ，所以本电路也设计了一个用精密电阻r p l 分压产生 2 5 v 的电压，使放大电路输出电压u o 以o v 开始线性变化。为了提高电阻分压带 负载能力，也即2 5 v 电压不随后级电路影响，这里设计了一级电压跟随器使输出 u i 2 为2 5 v 。根据叠加原理可以算出图3 9 中u o 为： u o = ( u il - u i 2 ) r f r ( v )( 3 - 2 ) 将u i 2 = 2 5 v ，u i l = 2 5 + u i 代入式3 2 得： u o = u i r f r ( v )( 3 3 ) 再将u i = o 1 8 5 i 代入3 3 式得 u o = o 1 8 5 i r f r ( v ) 从式3 - 4 可以看出输出电压与夹在1 、 ( 3 - 4 ) 2 和3 、4 脚之间的电流成正比。将此电 压送入a t m e g a 8 l 的a d 转换器处理就可得到电机的工作电流，应用此电流可以对 无刷直流电机进行转矩闭环控制及其过流保护。 = = 图3 - 6a c s 7 1 2 电流检测电路 f i g 3 - 6a c s 7 1 2c u r r e n td e t e c t i v ec i r c u i t 第3 章空调三相无刷直流电机控制系统硬件设计 3 4 3 转速检测及其他接口隔离电路 转速对于本控制系统极其重要，因为本控制系统主要是由转速构成的闭环控 制系统，所以精确获取电机转速是本控制系统的关键所在。由驱动电路通过霍尔 i c 输出位置信号，无刷直流电机每转一周输出1 2 个脉冲f g 信号，但这些脉冲信 号干扰比较大，不能直接被a t m e g a 8 l 处理，所以必须对脉冲f g 信号进行滤波、 提取。如图3 - 7 ( a ) 所示，由于驱动电路的开路输出，所以电路加了上拉电阻r 1 1 。 由于f g 信号谐波比较多，c 7 则起到了滤波的作用，这个电容的大小比较难确定， 要通过实验才能确定。f g 信号通过光耦p 5 2 1 在3 脚产生一个比较稳定、无谐波 的f g 信号，其中c 8 不能选用过大，过大会使f g 信号失真，以致a t m e g a s l 识别不了。 ( a )( b ) 图3 - 7 转速检测及其他接口隔离电路 f i g 3 7r o t a t i o nd e t e c t i v ea n do t h e ri n t e r f a c ei s o l a t e dc i r c u i t a t m e g a 8 l 内部t i m e r l 具有1 6 位的输入捕捉单元，1 6 位的输入捕捉单元通过外 部引脚i c p i 来捕捉外部事件。当引脚i c p i 上的逻辑电平( 事件) 发生了变化，并 且这个电平变化为边沿检测器所证实，输入捕捉即被激活：1 6 位的计数寄存器 t c n t i 数据被拷贝到输入捕捉寄存器i c r i ，同时输入捕捉标志位i c f i 置位。如果 此时捕捉中断使能i c l e i = 1 ，输入捕捉标志将产生输入捕捉中断。中断执行时i c f i 自动清零，或者也可通过软件在其对应的i o 位置写入逻辑”1 ”清零。读取i c r i 时捕捉寄存器先读低字节i c r i l ，然后再读捕捉寄存器高字节i c r i h 。再根据两次 捕捉寄存器的差值就可以算出电机转速。为了避免驱动电路及其他接口电路的干 广东工业大学工学硕上学位论文 扰，本控制系统在与外电路接口线上都加了光电耦合隔离，以保证电路正常运行。 隔离电路如图3 - 7 ( b ) 所示。他邮2 1 3 5 驱动电路设计 驱动电路是主控电路与无刷直流电机之间的桥梁，本控制系统采用日立公司的专 用集成无刷直流控制芯片e c n 3 0 2 0 6 。e c n 3 0 2 0 6 专用集成无刷直流控制芯片适用于 直流5 0 0 v 电压、l a 电流以下、功率在2 0 - 3 0 0 w 的三相有位置传感器的无刷直流 电机。 3 5 1e c n 3 0 2 0 6 特点及引脚功能 1 e c n 3 0 2 0 6 的特点 当无刷直流电机电流工作在1a 以下时，电源加电顺序可随意； 外接驱动无刷直流电机电压可从直流1 5 v 到4 5 0 v 变化； 可简单地通过调模拟电压来改变无刷直流电机转速； 内部p w m 发生器产生的p w m 波占空比可从0 到1 0 0 变化； 内部转速脉冲计数器； 下桥臂开关管高达2 0 k h z 的开关频率； 内部集成7 5 v 的直流电压校正器以保证外部最小负载电流2 5 m a ； 内部集成电流保护装置； 上下桥臂的i g b t 管具有欠压保护功能； 所有的i g b t 都具完全关断功能。 2 e c n 3 0 2 0 6 的引脚功能 e c n 3 0 2 0 6 的引脚结构图如图3 8 所示。现将其引脚功能介绍如下： 引脚1 、2 2 ，v s 2 、v s l ：u 、w ，v 相的上桥臂i g b t 供电电源，这两个引脚 接+ 3 1 0 v 电源； 引脚2 、2 1 、2 3 ，m w 、m u 、m v ：w 、u 、v 三相输出给无刷直流电机三相绕 组，e c n 3 0 2 0 6 的功率驱动输出； 3 0 第3 章空调三相无刷直流电机控制系统硬件设计 引脚3 ，n c ：悬空，无连结； 引脚4 、2 0 ，g h 2 、g h i ：w 、u 、v 三相的射极输出； 引脚5 ，v c c ：e c n 3 0 2 0 6 工作电源正端，一般接1 5 v ； 引脚6 ，g l ：e c n 3 0 2 0 6 工作电源负端； 引脚7 、8 、9 ，c + 、c 一、c l - 电荷泵充电电容正负端； 引脚1 0 ，c b ：内部电源调整电容引脚； 引脚1 1 、1 2 ，c r 、v t r ：内部时钟电阻电容接入端； 引脚1 3 ，v s p - 模拟输入电压，用来改变电机p w m 的占空比； 引脚1 4 ，f g ：转速计脉冲信号输出端； 引脚1 5 ，d m - 无刷直流电机转向控制端； 引脚1 6 、1 7 、1 8 ，h w 、h v 、h u ：三相绕组的霍尔位置信号输入端根据此 信号，e c n 3 0 2 0 6 用来开通关断i g b t 开关管。 ”。”“。g 篇曷笛z 嚣长= 茹罨譬譬器譬 毫萋昌荟目宰。盆盆窝蚕蓬器呈要受雹器量蚤量薹 图3 - 8e c n 3 0 2 0 6 的引脚图 f i g 3 - 8e c n 3 0 2 0 6 sl e gb l o c k 3 5 2e c n 3 0 2 0 6 内部结构及工作原理 1 内部结构 e c n 3 0 2 0 6 内部结构如图3 - 9 所示。e c n 3 0 2 0 6 芯片由内部自带6 个全桥式i g b t 开关管( 上桥臂和下桥臂) 及每个i g b t 都带保护的续流二极管、用于三个上桥臂 电压提升的电荷泵电路、无刷直流电机方向控制电路、为e c n 3 0 2 0 6 驱动芯片产生 时钟的声表面波产生电路、p w m 产生电路、三相分配器、过流及欠压保护电路、 转子位置检测电路。三相分配器内部具有换相控制表，根据表格中相对照的值来 合理分配各个桥臂的通断状态。 2 工作原理 e c n 3 0 2 0 6 根据外围电路设定的d m 电机转向控制端先设定电机的转向，再根 据v s p 模拟电压输入端输入的模拟电压去控制内部p w m 波的占空比来控制内部三 相分配器的驱动i g b t 开关管的导通的频率，三相分配器根据霍尔工c 输入的位置 信号控制i g b t 开关管的导通顺序从而控制电机的运行。在运行过程中e c n 3 0 2 0 6 一旦检测到流过某一桥臂的电流大于1 5 a ，此时芯片就会自动封锁p w m 信号，产 生过流保护，停止驱动无刷直流电机；当e c n 3 0 2 0 6 检测到工作在欠压状态时将关 断i g b t 开关管。乜3 3 图3 - 9e c n 3 0 2 0 6 内部结构 f i g 3 - 9e c n 3 0 2 0 6 si n n e rs t r u c t u r eb l o c k 3 5 3e w 6 3 2 霍尔lc 构成的位置检测电路 霍尔器件是一种磁敏传感器，可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关 的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。按照霍尔器件的功能可将它 们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。 3 2 第3 章空调三相无刷直流电机控制系统硬件设计 本控制系统的位置信号采用日本旭化成集团的e w 6 3 2 锁存型的霍尔开关集成芯 片。 如图3 - 10 ( a ) 所示，霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔芯片、 差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。如图3 - 1 0 ( b ) 所示，在外磁场的作用 下，当磁感应强度超过导通阈值b o p 时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之 后，b 再增加，仍保持导通态。若外加磁场的b 值降低到b r p 时，输出管截止， 输出高电平。工程上称b o p 为工作点，b r p 为释放点，b o p b r p = b h 称为回差。回 差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。一般规定，当外加磁场的南极( s 极) 接 近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极 接近标志面时为负。心钔 v o h v c c g m 图3 1 0e w 6 3 2 内部结构及转移特性图 ( b ) 3 5 4e c n 3 0 2 0 6 驱动电路 由前面分析e c n 3 0 2 0 6 集成驱动芯片和霍尔开关芯片的工作原理，可以设计 如图3 - 11 驱动电路。本控制系统由于采用的是四对磁极的无刷直流电机，所以一 个机械角为9 0 度，电导通角为3 0 度，所以三个霍尔开关集成芯片e w 6 3 2 需每隔 3 0 度放一个，以检测无刷直流电机的转子位置。三片e w 6 3 2 输入信号与开关管导 通状态对应的关系如表3 1 所示： 广东丁业大学工学硕士学位论文 表3 - 1 位置信号与i g b t 开关管导通状态对应关系表 t a b 3 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np o s i t i o na n di g b ts t a t u s 霍尔信号输入u 相v 相w 相 h uh vh w 上桥臂下桥臂上桥臂下桥臂上桥臂下桥臂 1o1 断 通 通 断断断 10o 断通断 断通断 11o断断 断 通通断 01o通断断通断断 o11通断断断断通 o0 1 断断通断断通 1 内部p w m 各项参数的确定 内部p w m 波的频率由声表面振荡器( s a w ) 、1 1 脚接的电容c t r 和1 2 脚接电阻 r t r 确定如式3 5 ： f p w m = 0 4 9 4 ( c t r r t r ) ( h z )( 3 5 ) 本系统选用c t r 为1 8 0 0 p f ，r t r 为2 2 kq 则可算出p w m 频率为1 2 5 k h z 。 p w m 占空比由1 3 脚输入的模拟电压v s p 确定。当v s p 的值小于声表面振荡器 幅值的最小值v s a w l 时，p w m 占空比为o ，所有的i g b t 管都将关闭；当v s p 的值 大于声表面振荡器幅的值最大值v s a w h 时，p w m 占空比为1 0 0 ：当v s a w l 薹v s p 兰 v s a w h 时占空比p 与v s p 的大小成线性如式3 - 6 ： p = ( v s p v s a w l ) ( v s a w h v s a w l )( 3 6 ) 因此只须改变v s p 的大小就可以对电机进行线性无极调速。 2 电机转一周f g 脉冲个数确定 由于本控制系统的空调无刷直流电机有4 对磁极，根据前面章节的分析可以 得到电机转一周f g 脉冲个数为1 2 个脉冲。 3 电荷泵外部电路参数确定 为了打开上桥臂i g b t 功率驱动开关管，则必须先提升门极电压才能打开， 这样e c n 3 0 2 0 6 内部有电荷泵电路，用户只须设定外部电路各器件参数即可。图 3 1 4 中c 1 ，c 2 的大小决定了充电的时间，也即决定了i g b t 功率驱动开关管打开 第3 章窀调三糖无藏直漉电视控锻系统硬俘设诗 的时间，因此不能过大，否则打开时间过长。这里选c l ，c 2 都为l u f 。 4 负压及过流保护 当e c n 3 0 2 0 6 检测到v c c 引脚电压小于1 2 v 时所有的i g b t 功率驱动开关管关 闭。直到v c c 大于1 2 v 时才恢复正常工作。 电流保护是通过在下桥臂i g b t 串接电隰到地g l 分雁反馈到e c n 3 0 2 0 6 内部 过流电压比较器实现，内部过流电压比较器参考电压v r e f 为0 5 v ，这里设定最 大电流值i m a x 为1 a ，则r s 的值可以通过式3 - 7 计算得出： r s = v r e f i m a x( q )( 3 一? ) 将i m a x = l a ，v r e f = o 5 v 代入式3 7 得r s 为o 5 q ，这里选用康铜丝。 5 电路稳定的保证 为了使驱动电路稳定及提高抗干扰性，必须对各弓l 脚进行处理，在等 脚上适 当的加上下拉或上披电阻，在高输入阻抗的引脚处加上高频旁路电容以消除高输 入阻抗引脚对高频噪鸯的敏感性。 图3 - 1 1e c n 3 0 2 0 6 驱动电路 f i g3 1 1e c n 3 0 2 0 6d r i v ec i r c u i t 3 5 广东工业人学工学硕十学位论文 3 6 显示电路设计 本控制系统采用美国m a x i m ( 美信) 公司的m a x 7 2 1 9 驱动芯片做l e d 数码显 示电路，显示永磁无刷直流电机的转速、工作电流及其故障。传统的数码管显示驱 动电路占用的系统资源较多，若是动态显示，8 位显示驱动电路一般由1 片8 2 5 5 ， 4 片5 4 0 7 构成，不仅硬件资源占用多，而且需要由软件定时刷新，软件资源占用 也不少；若是静态显示，8 位数码管显示驱动电路一般由8 片5 4 l s l 6 4 构成，硬 件资源占用太多。本控制系统采用的m a x 7 2 1 9 可驱动8 个7 段( 包括小数点共8 段