無位置傳感器無刷直流電動機變頻調速系統的硬件設計

    楊蘋，胡郴龍，姜華

(華南理工大學電力學院廣東省綠色能源技術重點實驗室，廣東廣州510640)

     摘要：探討了無位置傳感器無刷直流電動機(BLDCM)變頻調速系統的硬件設計過程，給出了基于智能功率模塊(IPM)PS21865的主電路實現方案，完成了以數寧信號處理器TMS320I,F2407A為核心的控制電路和輔助電路的硬件設計，整個系統集成度高、控制靈活、功能完善。試驗結果表明，無位置傳感器BLDCM變頻調速系統具有良好的調速性能，系統控制精度高、運行穩定可靠，具有實際應用價值。

    關鍵詞：無刷直流電動機；變頻調速；無位置傳感器

    中圖分類號：TM 92I 51：TM 33文獻標志碼：A文章編號：1673-5540(2010)05-0324-5

0  引  言

    由于無位置傳感器無刷直流電動機(Brash—less DC Motor，BLDCM)變頻調速系統具有體積小、效率高、調速精度高和轉矩大等特點，并具有良好的節能效果，現已廣泛應用在各類驅動裝置和伺服系統中^[1-2]。

    本文針對目前國內、外對無位置傳感器BLD—CM變頻調速系統需求越來越大、要求越來越高的現狀，在理論分析和仿真試驗的基礎上，完成了無位置傳感器BLDCM的變頻調速系統的硬件設計。使用高性能數字信號處理器(DSP)滿足了電機控制系統不斷增加計算速度的要求，同時引入集成度較高的智能功率模塊(Inte]]igent PowerModule，IPM)，提高了產品的模塊化水平。整個系統結構緊湊、控制靈活、實用性強。

1 BLDCM系統工作原理

    BLDCM系統巾電動機本體、轉子位置傳感器和電子開關電路三部分組成[3]。直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電，位置傳感器實時檢測到轉子所處的位置，并根據轉子的位置信號來控制開關管的導通和關斷，從而自動控制繞組的通斷電，實現電子換向。與BLDCM系統相比，無位置傳感器BLDCM系統中轉子位置信息是通過處理器進行計算獲得的，其原理圖如圖1所示。

     目前，BLDcM無傳感器控制[4-5]較為典型的控制方法有反電勢法、定子三次諧波法、渦流效應法、磁通估計法等^[6]，其中反電勢法是一種******實用的轉位置檢測方法。由丁BLDcM的繞組反電勢波形直接反映轉子的位置，因此可以利用繞組反電勢米獲取轉子的位置信息。對于采用兩相導通三相六拍運行方式的BLDcM而言，二相繞組中在任意時刻總有一相處于斷開狀態，檢測斷開相的反電勢信號，當其過零點時，轉子直軸與該相繞組軸線重合，再經過30。電角度按照開通順序進行換相。故只要檢測到各相反電勢的過零點，即可獲知轉予的若干個關鍵位置，這就是反電勢法的基本原理[7]。反電勢轉子位置檢測法在電動機起動前，必須對轉子進行定位后才能進行正常的位置計算。

2系統硬件設計

    本文設計的無位置傳感器Blll)cM變頻調速系統主要由主電路、控制電路和輔助電路二三部分組成，其結構如圖2所示。主電路包括整流和斬波電路及IPM功率和檢測電路；控制電路即DsP調速控制器模塊；輔助電路主要由系統和驅動電源模塊及人機接口電路構成。

2．1主電路設計

    本文介紹的無位置傳感器BLDcM變頻調速系統是基于交一直一交變頻調速系統拓撲進行的硬件設計，交直交變頻的基本組成電路有整流和逆變兩部分，整流電路將工頻交流整流成直流電，逆變電路再將直流電逆變成為頻率可調的****輸出電流限額為20 A。    (2)IPM功率電路。

    IPM功率和檢測模塊實現了本系統中無位置傳感器BI。DcM的__作電源逆變和運行狀態檢測的任務，直接影響電動機的工F常運行和控制器的控制精度。

    IPM包含了IGBT芯片及外圍的驅動和保護電路，是一種集成型功率器件。由于其簡單易用、性能穩定及日趨走低的價格而獲得了廣泛應用。該系統所用的IPM選用三菱電機株式會社的第三代DIP—IPM Ps21865。該芯片具有如下典型特點：低損耗；采用自舉電路結構，可實現單電源驅動；內置有IGBT驅動電路，過載保護，控制電源欠壓保護；內置專用HVIc(}tigh V0ltage Ic：600V)，無需絕緣電路(如光耦)等。雖然IPMPS21865已經提供了方便的控制接口，但為了系統安全，還是建議使用4組