四相無刷直流電動機控制系統研究

孟 楠 王淑紅

（太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

1 引言

隨著電力電子技術、功率半導體技術和高性能的磁性材料制造技術的飛速發展，無刷直流電動機利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器，因此使這種電動機不僅保留了直流電動機的優點，而且又具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優點，使它一經出現就以極快的速度發展和普及。目前無刷直流電動機已廣泛應用在計算機外圍設備、辦公自動化設備、家電、音像設備、汽車、

電動自行車、數控機床、機器人、醫療設備等方面和領域[1]。

目前國內外對無刷直流電動機的控制系統進行了大量的研究，而這些研究都是針對三相電機展開的，本文要討論的四相無刷直流電動機，雖然其控制系統略比三相電機控制系統復雜，可四相電機本身能很好的改善無刷直流電動機存在的轉矩脈動大的問題，從而研究四相無刷直流電機的控制系統就很有必要，使四相無刷直流電動機具有更廣泛的應用范圍。

2 四相永磁無刷直流電動機的原理及位置傳感器的安裝

具有梯形波反電動勢的四相無刷直流電動機主電路如圖1所示。該電路采用單相導通方式，每個換相時刻只有一個功率管導通，每個功率管導通90°電角度，功率管開通的邏輯順序為：T1→T3→T2→T4[2]。

圖1 系統主電路圖

本系統采用的是開關型霍爾位置傳感器，位置傳感器的基本功能是在電動機的每個電周期內，永磁轉子每轉過一對磁極（N、S極）的轉角，就要產生出與電機邏輯狀態相對應的開關狀態數，以完成電動機的一個換相全過程。開關型霍爾傳感器是一個雙值元件，一個雙值元件僅有“0”和“1”兩種狀態，n個雙值元件則可組成2n種狀態，根據電動機的邏輯狀態數確定所需霍爾元件的最少個數[3]。對于四相無刷直流電動機來說，四種邏輯狀態就可以完成一個換相過程，所以本系統安裝了兩個霍爾傳感器。

把每個霍爾元件所產生的波形等分成電動機所需要的邏輯狀態數，然后把它們相互錯開一定的位置角后組合在一起，如果最終能產生所要求的開關狀態數，則這個位置角就是可取的。據此本系統的兩個位置傳感器按空間相隔90°電角度安裝。

定子四相繞組反電動勢及電流波形如圖2所示。

圖2 理想反電動勢及電流波形

3 系統硬件電路設計

本文介紹的四相無刷直流電動機的開環控制系統硬件結構框圖如圖3所示。主要有以下五個部分：電機本體、轉子位置檢測電路、DSP主控部分、驅動電路、四相半橋電路。

圖3 系統硬件結構框圖

具體控制過程如下：將兩個空間間隔 90°電角度分布的霍爾傳感器H1、H2的輸出信號經上拉，電平轉化和濾波后送至 DSP具有捕捉功能的管腳CAP1、CAP2，向DSP提供轉子的位置信號。每一個霍爾傳感器都會產生180°電角度的交疊信號，如圖4所示。每個輸出信號的上升沿和下降沿都被檢測，從而產生了4個換相時刻。與EVA模塊相關的PWM1-PWM4管腳的輸出作為系統功率開關管的換相控制信號，將PWM輸出與驅動芯片IR2117直接相連，開啟相應的MOSFET，使電機各相繞組不斷地換相通電，實現電機四相繞組的自控變頻運行。

驅動芯片選用美國國際整流器公司的IR2117，一個IR2117驅動一個功率開關管，芯片內部設計有過電流、過電壓保護。使用戶可方便的用來保護被驅動的功率MOS管。本文只給出一個MOS管的驅動電路，如圖5所示。

圖4 霍爾傳感器輸出信號

圖5 MOS管驅動電路圖

4 系統軟件設計

無刷直流電動機要正常工作，僅有硬件電路是遠遠不夠的，還需要正確的軟件部分配合才能構成一個完整的控制系統，使電機正常運行。

開環控制系統的軟件主要由主程序模塊和中斷服務程序模塊組成。其中主程序模塊包括DSP初始化、捕獲轉子初始位置、設置中斷邏輯。中斷服務程序主要是轉子位置信號捕獲中斷子程序。

系統主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

具體完成的功能由以下幾點：①DSP初始化：首先應該關中斷，然后對用到的一些寄存器和功能模塊進行初始化，包括看門狗、事件管理單元CAP和PWM等，最后再開中斷；②捕獲當前轉子位置：無刷直流電動機由靜止不動到正常運轉必須經歷一個起動過程，電動機起動的時候必須知道其初始位置，否則不能正確確定電流的初始流向，導致電動機起動不起來[4]。所以在主程序初始化完成后應先讀取捕獲單元狀態，為電動機的起動提供最初的轉子位置信息。捕獲單元狀態與開關管控制信號關系如表1所示。

表1 捕獲單元狀態與開關管控制信號的對應關系

TMS320LF2407A的事件管理器EV是專門為電機控制而設計的專用模塊，每個事件管理器都有三個捕捉單元，每個捕捉單元都能產生中斷，將CAP1,CAP2這兩個管腳設置成捕獲上下跳沿的功能，分別捕獲霍爾傳感器輸出的位置信號上下跳沿。電機每旋轉 90°電角度，其上下跳沿就會觸發一次事件管理器的該路位置信號的捕獲中斷。整個位置捕獲中斷程序流程圖如圖7所示。

5 實驗結果

完成系統的硬件電路和軟件設計后，進行了硬件電路和軟件程序的聯調，并對樣機進行了實驗，下面給出樣機調試過程中測得的一些波形圖，并做出簡要的說明。

圖7 捕獲中斷流程圖

圖8所示是霍爾傳感器的輸出信號。圖中兩路信號分別是兩個霍爾元件的輸出信號。

圖8 霍爾傳感器輸出波形

圖9是各相繞組的觸發信號波形。

圖9 各相繞組的觸發信號波形

通過實驗可以看出，霍爾傳感器輸出信號正確地反映了轉子位置信號；轉子每轉過90電角度，只有一個功率管導通，為電機相繞組的換相提供了正確換相信號。實踐證明采用電機控制專用芯片DSP后，簡化了本系統的硬件電路設計，提高了系統可靠性。系統適合于小功率無刷直流電動機的控制，同時，也可推廣到其它工業領域，如機床、電梯驅動等。

[1] 王曉明,王玲.電動機的 DSP控制[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[2] 王麗梅,王淑紅.重疊換相技術在四相無刷直流電動機中的應用研究[J]. 電氣技術, 2009(12):45-48.

[3] 楊培雙.無刷直流電動機中霍爾傳感器的設計與應用[J].機電設備, 2010(3):29-31.

[4] 魯宗峰. 基于DSP的無刷直流電機控制系統[D].哈爾濱理工大學碩士學位論文,2005.