一種無刷直流電動機的在線轉速估計方法

    畢海悅，張東來

    (哈爾濱工業大學，廣東深圳518055)

    摘要：研究了一種無刷直流電動機的在線轉速估計方法。提出了一種在HaIl傳感器調速的基礎上，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用領域十分廣泛，其寬動態范圍、高精度速度控制的關鍵環節在于速度檢測，而且在低壓下的速度檢測則是更為關鍵的。本文提出的測量環節是一種在線的方式，與傳統的基于光電編碼器和旋轉變壓器。方法相比，這種方法大大簡化了系統的物理結構，與測速發電機相比明顯減少了一個測速發電機裝置。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而成：采用三相全橋式逆變器作為驅動電源，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、轉子磁場分布均勻；

    (2)忽略齒槽、換向過程和電樞反應的影響；

    (3)電樞繞組在定子內表面均與連續分布；

    (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生驅動信號，驅動信號經驅動電路隔離放大后控制逆變器的功率開關管，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旋轉的，而是一種跳躍式旋轉磁場，每個步進角是60^o電角度。轉子在空間每轉過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就發生一次躍變。可見，電機有六種磁狀態，每一狀態有兩相導通，每相繞組的導通時間對應于轉子旋轉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，這是最常用的一種工作方式。

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

2在線轉速控制策略

2．1硬件設計

    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，電機旋轉一周將產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個磁狀態對應的轉速為1／4圈，這樣可以做到每次采樣的結果比一對極采樣結果相對密集，測得的結果更接近真實值。在現有的電機控制板基礎上還需要一個串口電路將儲存在EPPROM中的數據傳送出來。

2．2軟件設計

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

其目的是為了減少單片機中的運算量。

式中：N——捕獲計數器中的計數個數；

      n——電機轉速。

將讀得的轉速參數儲存到EEPROM中，利用串口將電機轉速參數讀人到Pc機中，并在Madab中對其進行速度曲線的轉化，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速曲線。

3實驗結果及分析

    為了驗證上述測速方案的有效性，本文進行了實驗研究。由于在采樣轉速數據時，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