一種無刷直流電動機的在線轉(zhuǎn)速估計方法

    畢海悅，張東來

    (哈爾濱工業(yè)大學，廣東深圳518055)

    摘要：研究了一種無刷直流電動機的在線轉(zhuǎn)速估計方法。提出了一種在HaIl傳感器調(diào)速的基礎(chǔ)上，通過一種在線方法對電動機速度進行估計的一種方法，最后用實驗驗證了該方法的可行性。

    關(guān)鍵詞：無刷直流電動機；Hall傳感器；速度估計

0引  言

    無刷直流電動機的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，其寬動態(tài)范圍、高精度速度控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于速度檢測，而且在低壓下的速度檢測則是更為關(guān)鍵的。本文提出的測量環(huán)節(jié)是一種在線的方式，與傳統(tǒng)的基于光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。方法相比，這種方法大大簡化了系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，與測速發(fā)電機相比明顯減少了一個測速發(fā)電機裝置。由此可以看出，尋找一種簡單可行又準確的測速方案是十分必要的。

1無刷直流電動機速度控制原理

    對于定子繞組為三相星型接法的無刷直流電動機，每相繞組可以等效為電阻、電感和反電動勢串聯(lián)而成：采用三相全橋式逆變器作為驅(qū)動電源，主電路和電機等效模型如圖l所示。

    為便于分析，作如下假定：

    (1)三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布均勻；

    (2)忽略齒槽、換向過程和電樞反應(yīng)的影響；

    (3)電樞繞組在定子內(nèi)表面均與連續(xù)分布；

    (4)磁路不飽和，不計渦流和磁滯損失。

    無刷直流電動機的基本工作原理：設(shè)電動機本體的電樞繞組為三相星形連接，位置傳感器與電動機本體同軸，控制電路對位置信號進行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電機的各相繞組按一定的順序工作。定子合成磁場在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，每個步進角是60^o電角度。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60^o電角度，定子繞組就進行一次換流，定子合成磁場的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。可見，電機有六種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導通，每相繞組的導通時間對應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120^o電角度。我們把無刷直流電動機的這種工作方式稱為兩相導通星形三相六狀態(tài)，這是最常用的一種工作方式。

    本文提出的轉(zhuǎn)速估計是利用單片機的EEPROM寄存器將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進行采集、存儲，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理得到轉(zhuǎn)速曲線。該方法簡單、易操作，轉(zhuǎn)速曲線的提取對于電動機的建模、控制是十分關(guān)鍵的。

2在線轉(zhuǎn)速控制策略

2．1硬件設(shè)計

    為了能夠從電機本身獲得更多的測速信息，將電機的一對極變成了多對極，本實驗使用的電機為4對極，相鄰的Hall之間的相位差為120^o，電機旋轉(zhuǎn)一周將產(chǎn)生三路相位依次相差120^o的Hall脈沖信號。利用單片機中的三個捕獲單元即可獲得電機的測速信號。但是每次捕獲得到的6個磁狀態(tài)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1／4圈，這樣可以做到每次采樣的結(jié)果比一對極采樣結(jié)果相對密集，測得的結(jié)果更接近真實值。在現(xiàn)有的電機控制板基礎(chǔ)上還需要一個串口電路將儲存在EPPROM中的數(shù)據(jù)傳送出來。

2．2軟件設(shè)計

    在單片機中利用三個捕獲單元對轉(zhuǎn)速進行測定，這三個捕獲單元又是對高低電平都產(chǎn)生中斷，于是對于一個捕獲單元來講，每捕獲一次轉(zhuǎn)速信號即代表1／8圈，而每計一次數(shù)代表4μs，所以由此可以計算出轉(zhuǎn)速對應(yīng)的計數(shù)器中的計數(shù)個數(shù)：N=

其目的是為了減少單片機中的運算量。

式中：N——捕獲計數(shù)器中的計數(shù)個數(shù)；

      n——電機轉(zhuǎn)速。

將讀得的轉(zhuǎn)速參數(shù)儲存到EEPROM中，利用串口將電機轉(zhuǎn)速參數(shù)讀人到Pc機中，并在Madab中對其進行速度曲線的轉(zhuǎn)化，流程圖如圖3和圖4所示，通過該過程的操作即可求出電動機的轉(zhuǎn)速曲線。

3實驗結(jié)果及分析

    為了驗證上述測速方案的有效性，本文進行了實驗研究。由于在采樣轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)時，存在著隨機擾動，而且每次干擾都是不同的，所以需要對其進行多次測量