1、1低速永磁无刷直流电机控制系统的研究摘 要：本文叙述了低速永磁无刷直流电机控制系统的硬软件设计。在此基础上给出了控制低速永磁无刷直流电机运行的程序总框图。实验表明，此系统能够很好的实现无刷直流电机的运行控制。关键词：低速 无刷直流电机 控制系统Study on Control System of Low Speed BLDCMABSTRACT: This paper introduced the hardware and software design of the low speed BLDCM control system. In this foundation, the paper al
2、so design the procedure total diagram of the software which control the BLDCM.The experiments show that the control system has an excellent capability to control the BLDCM.KEY WORDS：low speed；BLDCM；control system1 引言目前，杆驱螺杆泵式抽油机在油田生产中应用普遍。螺杆泵式抽油机要求驱动电机提供的驱动力矩大、转速慢、运行平稳。采用异步电机通过减速机构来驱动螺杆泵，往往存在效率低下、噪音
3、、振动等问题。无刷直流电机具有效率高、转矩大、低速运行平稳等优点,适合用做螺杆泵式抽油的驱动电机。而且，专门制造的低速无刷直流电机可实现对螺杆泵式抽油机的直接驱动，即简化了系统的传动机构，又避免了使用减速器带来的一系列问题。另外，由于无刷直流电机运行中需要检测的状态量较多，控制较为复杂，采用单片机来进行数据处理与控制已经明显力不从心。近年来，国外许多公司纷纷推出高性能的数字信号处理器（DSP） ，比如 TI 公司的 TMS320C24 以及Motorola 公司的 DSP56F8xx 系列，用来控制无刷直流电机的运行非常方便。采用数字信号处理器的电机控制系统，数据处理能力强，运行速度快，精度高
4、，正处在普遍开发和应用中。2 硬件设计控制系统采用交流 380V 整流获得的直流电作为供电电源，使用三相桥式逆变电路作为功率主电路，控制单元采用 Motorola 公司的 DSP56F803。本控制系统的硬件部分主要由蓄电池及逆变电路、开关管驱动和保护电路、电源电路、系统控制单元及其外围电路、电流及电压信号检测电路等几部分组成。图 1 是硬件系统的示意图。图中粗箭头表示能量传送方向，细箭头表示控制或检测信号的传2送方向。系统运行后，控制单元根据预先设定的控制指令以及检测到的有关信号发出开关管驱动信号控制无刷直流电机的运行。转 子 位 置检 测开 关 管 驱 动与 保 护 电 路逆 变 电 路直
5、 流 电 源操 作 指 令B L D C M电 流 与 电压 检 测负 载控 制 单 元 及 其 外 围 电 路图 1 硬件系统示意图图 2 为功率逆变电路以及无刷直流电机的电路连接图。电枢绕组为三相绕组，Y接。功率逆变电路采用电压型三相全桥逆变电路。实验所用的无刷直流电机为额定功率 2.2KW，额定电压 300 伏，电枢绕组 Y 接；开关管选用富士公司的 IGBT，型号为1MBH60-100，额定电流 60A,额定电压 1000V；IGBT 的驱动保护模块采用了 VLA517-01R。 功 率 变 换 部 分蓄电池组DD DDDDB L D C Mabc1T3T6T2T5T4TRR12RK0
6、CC12S图 2 蓄电池电机与功率逆变电路的电路连接图图 3 为控制单元各模块承担的功能示意图。3转 速 给 定相 电 流 信 号P C机转 子 位 置 信 号A / D键 盘 接 口开机关机正转显 示 电 路D e c o d e rS C IP W MG P I OS P I逻 辑 综 合I G B T驱 动 接 口开 关 信 号指 示灯G P I O制动封 锁 信 号D S P 5 6 F 8 0 3反转加速减速故障中断图 3 控制电路原理框图键盘接口负责接收控制指令，产生键盘中断来产生或改变电机的运行状态。AD 转换模块实时检测相电流、转速给定、相电压等信号。电机的位置检测采用电机内置
7、的霍尔位置传感器，输出 3 路位置信号（矩形波） 。根据电机当前转子位置信号决定IGBT 的导通次序，输出 IGBT 的开关信号。同时，将检测到的转速和相电流信号输入DSP 根据控制算法决定 PWM 信号的占空比。PWM 信号的占空比决定电机的速度控制，它和 IGBT 的开关信号、故障中断产生的封锁信号一起作为逻辑综合电路的输入。逻辑综合电路的输出作为 IGBT 驱动电路的输入信号。其他功能的硬件电路比如电压和电流采集等电路的设计较为常见，不再赘述。3 电动运行原理电动运行时，相电流的导通方式采用 120 导通方式，即每个功率管导通时间均为120 电角度 。调速采用的 PWM 调制方式为半桥调
8、制，也就是说， PWM 只对导通周期内一对元件中的一个起作用。功率管的开关状态取决于位置传感器提供的 HALL 信号。表 1 所示为测试得出的电机正向和反向电动运行时，霍尔位置传感器的 HALL 状态与开通功率管的对应关系：表 1 正转时 HALL 状态与开通功率管的对应关系HALL 状态 110 100 101 001 011 010正向电动时导通功率管12T1656T5434T324反向电动时导通功率管54T3432T1216T56图 4 所示为半桥调制时相电流与反电势的对应关系。以 和 导通的 60 时间为16例，这时 、 、 的波形见图 4-3(b)的 。图 5 所示为半桥调制下开关管
9、导通和AeBC1t3关断时的绕组电流情况。T1T3T6T2T5T4D1D2D3D4D5D6UdeAeBeCiAiBiC000rtrtrt000rtrtrt)a)b1t2t3tC1C2R1R2iBiCiAeCeBeA反 电 势 、 电 流 正 方 向反 电 势 、 电 流 理 想 波 形(图 4 半桥调制时相电流与反电势的对应关系T1T3T6T2T5T4D1D2D3D4D5D6Udia b cabciiC( a ) ( b )C1C2R1R2导 通 时 的 电 流T1、 T6C1C2R1R2T4T6T2T1T3T5D1D3D5D4D6D2半 桥 调 制 t2 t3期 间 T1截 止 时 的 电
10、流UdOO图 5 半桥调制时的绕组电流4 软件设计本设计的控制单元采用 MOTOROLA 公司的 DSP56F803 芯片，采用 C 语言和汇编语言混合编程，实行模块化设计。图 6 为系统软件设计结构框图，从图中可以看到程序的五大模块以及各模块间子程序的相互调用关系。5定时器输入脉冲捕捉中断子程序换相控制转速计算定时器定时中断直流侧电压采集电流采集转速电流双闭环P I调节子程序P W M 重载中断P W M 占空比重载转速显示电动运行控制运行方向判断系统欠压保护电动运行模式P W M 输出转子位置信号电流信号电压信号运行指令图 6 软件设计框图需要提到的是，为保证电机运行的平稳，必须保证换相平
11、稳，即电机在换相是不发生抖动，尽量减小转矩脉动。由于电机换相信号频率较高、信号传输线需由电机引向控制器，往往较长，电机现场运行环境中的电磁因素极易对换相信号造成干扰，使换相信号畸变，紊乱。这就需要对换相信号线进行相应防干扰和滤波处理，比如通过使电机换相信号的输出与控制器之间的信号线尽量短，信号线采用绞合线以及采用外皮屏蔽式信号线等办法。程序上也可以对换相信号做干扰过滤处理，即根据电机的转速估算正常换相的位置信号出现的大体时间段，将该时间段外的干扰信号蔽掉，这样，即使转子在换相点附近干扰信号，则仍能正常换相。系统采用转速、电流双闭环控制，两调节器均采用 PID 调节器，控制系统如图 7所示。6速
12、度P I D 控制器电流控制器脉宽调制电子换相功率开关B L D C M转子位置检测电流检测速度检测r e fnne r r o rn图 7 双闭环控制的 BLDCM 调速系统5 实验结果与结论图 8 是实验测得的无刷直流电机空载起动转速变化曲线。可见转速响应较快，超调较小，转速波动小，具有良好的动静态特性。图 9 所示为本文设计的无刷直流电机控制器控制下的无刷直流电机的相电流和一相位置信号的波形。此波形较理想。总之，实验结果表明，系统运行情况较好，具有一定应用价值。图 8 起动时的转速响应曲线7图 9 电动运行下 A 相的位置信号和相电流波形作者简介：孙佃升（1980）男，汉，山东省昌邑市人，毕业于中国石油大学（华东） ，硕士。研究方向为电力电子与电力传动。夏需强（1981）男，汉，山东昌邑人，毕业于中国石油大学（华东） ，硕士，主要研究网络控制系统。参考文献1 张琛直流无刷电动机原理及应用M 北京：机械工业出版社， 20042 韦鲲，林平，熊宇等无刷直流电机 PWM 调制方式的优化研究 J浙江大学学报（工学版） ，2005,39(7)：1038-10423 邵贝贝等Motorola DSP 型 16 位单片机原理与实践 M北京：北京航空航天大学出版社，20034 王爽，李铁才，王治国无刷直流电机换相力矩波动抑制 J电机与控制学报，2008，5（3）：288-293
