高速無刷直流電機在實踐教學中的應用＊

陳少華，馬利嬌，賈欣雨

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京 100192）

隨著信息化技術的快速發展，各學校在自動化、測控技術等專業學生的培養方面做了大量的創新改革，例如增加實踐課程，將實物設計納入學生成績等。提高學生動手能力，增強實踐技術是工科類專業教學改革的一個重要目的。傳統的教學實驗平臺已經無法很好滿足學生自主創新實踐的要求，因此，建設綜合性創新實驗平臺，開設具有自主設計、高參與性、組織協助性較強的實驗系統變得非常必要。

無刷直流電機作為一種體積小、密度大、轉速高的電機，被廣泛應用于無人機、電動汽車、家用電器等領域[1-2]，是工科學生就業領域較為常見的儀器裝置。相對于傳統低速無刷直流電機，高速無刷直流電機具有更高的功率密度[3]。提高電機轉子位置檢測精度是優化電機性能的一種重要手段[4]。傳統的檢測轉子位置的方法是安裝位置傳感器，例如旋轉變壓器、霍爾傳感器等，但是安裝位置傳感器會增加電機成本，增大電機體積，降低系統效率。本實驗平臺采用無位置傳感器控制算法檢測電機轉子位置，實驗平臺的軟件和硬件均采用模塊化設計，減少了重新設計系統的工作量。實驗平臺選用德州儀器公司的TMS320F28335作為控制芯片，具有精度高、功耗低、性能佳等優勢，是電機控制系統常用的控制芯片。該控制芯片提高了算法設計發揮空間，完全可以滿足高精度、大運算量的算法實現。利用算法檢測轉子位置信息，將位置信息作為反饋，控制功率開關管的開通與關斷，使電機能夠穩定快速啟動，精準換相，并且可以減小電機體積，降低成本，應用于教學實驗中激發了學生的學習熱情，加深了學生對無刷直流電機控制方法的理解與應用，教學效果良好[5-6]。

1 實驗平臺硬件

本文所設計的實驗平臺主要包括高速無刷直流電機、電源電路、控制電路、功率逆變電路、無位置檢測電路等部分。可實現對無刷直流電機無位置傳感器的啟動控制、正反轉控制、換相誤差補償控制等。實驗平臺系統結構如圖1 所示。為降低高壓電路的操作風險，將直流電源電壓限制在48 V，電流限制在5 A，功率驅動電路的輸出信號線采用雙絞屏蔽線，提高了系統的可靠性。

圖1 實驗平臺系統結構圖

1.1 電源電路

實驗平臺的供電由控制部分供電和功率部分供電組成，控制電主要為控制電路中DSP28335 芯片、數據采集芯片、各級比較放大器、速度控制等部分供電。控制板中采用TPS767D301 實現低電平轉換，可實現1.5～5.5 V 的電壓輸出。功率電部分提供功率電路的較大電流驅動，由熔斷器、電阻、電解電容、肖特基二極管、場效應管、電容、EMⅠ濾波器、電源轉換模塊等部分組成。總之，實驗平臺電壓轉換電路將24 V 直流電分別轉化為+12 V、+15 V 和+5 V，從而分別為控制板、母板、驅動板上的芯片和器件供電。

1.2 控制電路

控制電路部分，由控制芯片DSP28335、晶振、復位電路、信號采集電路等組成。TⅠ公司生產的TMS320C28335 芯片具有150 MHz 的高速處理能力，可實現32 位浮點運算，自身帶有18 路PWM 輸出和12 位16 通道ADC，具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設集成度高、數據以及程序存儲量大、A/D轉換更精確快速等優點，特別適用于高速電機控制系統。

1.3 功率逆變電路

功率逆變器的主體由6 個功率開關管及其驅動電路組成，通過PWM 信號輸入控制功率開關管按照一定的邏輯進行開通和關斷。由控制器根據控制邏輯輸出6 路PWM 高頻驅動信號，經施密特觸發器74HC14銳化驅動信號后，再經觸發器優化調節后輸出6 路信號，這6 路信號經增強驅動電路提高驅動能力后，分別進入6 個TLP250 隔離光耦器件，光耦器件可以起到光電隔離和增強電路驅動能力的作用，最后光耦輸出用以驅動逆變橋功率模塊的開通和關斷，實現電機旋轉。當電機需要反方向旋轉時，可通過調用不同的換相表實現反方向旋轉控制。另外，當系統出現過流、欠壓等狀態時，可通過剎車電阻讓電機快速制動。

1.4 無位置檢測電路

無位置檢測電路由低通濾波電路、功率放大電路和隔離電路組成，電機反電動勢信號可直接從電機三相端獲得，電機輸入的三相位置信號先經過一階低通濾波電路進行濾波。一階低通濾波電路的引入將導致位置檢測信號出現延時，為了在程序中進行相位誤差補充，將離線采集的位置誤差與轉速的關系記錄在數據表格中，當采用不同的低通濾波電路時，直接調用不同的補償角度數據表，靈活快速地換相誤差補償。采用LM393 功率放大器放大功率進入HCPL2630 隔離光耦后，輸出包含電機轉子位置信息的HALLA、HALLB、HALLC 信號。根據轉子位置信號設置電機PWM 驅動信號。將電機轉子1 個電周期分為6 個工作作態，每個工作狀態為60°，當檢測到換相信號上升沿時，需根據不同的低通濾波器設計值選擇不同的補償角度，實現高精度實時換相誤差補償。

2 實驗流程設計

利用上述模塊化電路搭建高速無刷直流電機無位置傳感器控制實驗平臺，實驗平臺由一臺高速200 W無刷直流電機、控制電路板、功率逆變電路板、無位置檢測電路板、開關電源、仿真器、PC 機及示波器組成。該實驗平臺搭建完成之后，可以完成不同截止頻率下的電機啟動實驗和不同轉速下電機換相誤差及補償實驗。實驗流程如圖2 所示。

圖2 實驗流程圖

3 實驗及結果分析

無位置檢測電路主要由低通濾波器、功率放大電路和隔離電路組成，低通濾波器的主要作用是通低頻，阻高頻，選擇合適的低通濾波器既可以濾除高頻干擾又可以防止相位延遲太大導致啟動失敗，因此低通濾波器截止頻率的選取對于電機換相的準確性影響很大。本實驗平臺可以通過選取不同的電容電阻改變截止頻率，觀察不同截止頻率對延遲角度的影響，從而選取合適的截止頻率的低通濾波器。不同電路參數配置不同濾波器，讓學生們動手選取可以加深學生們對低通濾波器對于電機啟動的影響的理解。截止頻率為47.74 Hz 時，電機在無位置傳感器模式下的啟動波形如圖3 所示。由圖3 可知，在無位置傳感器啟動階段，由于換相誤差導致啟動電流較大，當啟動過程結束后，電機換相準確，相電流較小。此實驗環節，學生可先仿真不同截止頻率下滯后角度與截止頻率的關系，再進行實驗驗證，很好地鍛煉了學生的仿真與實驗能力。

圖3 無位置傳感器模式下啟動波形

由于無位置電路板低通濾波器的引入，將導致電機轉子位置檢測出現相位滯后，因此需要進行電機相位補償。根據觀察換相前后電機相電流波形的變化可以判斷出電機換相超前或滯后，進行相應的補償。實驗結果如圖4～圖6 所示。

圖4 換相超前時相電壓與相電流波形

圖6 換相準確時相電壓與相電流波形

由圖4 中的波形可以看出，當換相超前時，相電壓和相電流波形出現畸變，影響電機效率。由圖5 中的波形可以看出，當換相超前時，相電壓和相電流波形同樣會出現畸變，電流波形畸變位置與超前時相反；當換相滯后時，同樣降低了電機運行效率，嚴重時甚至導致電機換相失步。由圖6 中波形的可以看出，換相準確時，電壓和電流波形在正負半軸對稱，電機運行效率較高。

圖5 換相滯后時相電壓與相電流波形

4 結語

針對自動化、測控技術專業的電機控制課程，分析了高速無刷直流電機控制實驗系統的結構組成和工作原理。分析了不同截止頻率對轉子位置檢測的影響，通過實驗驗證了電機無位置啟動時換相誤差補償控制。整套系統設計結構清晰、成本較低。在教學實驗中，可利用本套實驗系統開展課程實踐設計、創新思維訓練、創新創業項目等多層次項目，達到應用型專業教學實踐目的。