电机控制应用方案

文章摘要：这种驱动方式用于一些在特定的速度和负载条件下简单的应用（如泵、压缩机、风扇等）。电机驱动系统模型为了解释反电动势测量技术原理，要根据基本的电路拓扑结构（如图3）建立一个简单的数学模型。电机驱动模型包括一个普通的三相功率模块加一个直流无刷电机。系统的电源由电压源（Ud）提供，集成在一起的6个半导体开关（SA/B/C t/b)提供矩形电压波形。此处假定半导体开关和二极管为理想器件，整个系统的零电平设定为直流总线电压的一半。这样，可简化计算出功率模块输出波形的数字表达式。反电动势测量反电动势测量技术是基于直流无刷电机在任何时候都仅有二相同时通电这一事实，因而第三相可用于测量反电动势。让我们假设A要和

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　　这种驱动方式用于一些在特定的速度和负载条件下简单的应用（如泵、压缩机、风扇等）。

电机驱动系统模型

为了解释反电动势测量技术原理，要根据基本的电路拓扑结构（如图3）建立一个简单的数学模型。电机驱动模型包括一个普通的三相功率模块加一个直流无刷电机。系统的电源由电压源（Ud）提供，集成在一起的6个半导体开关（SA/B/C
t/b)提供矩形电压波形。此处假定半导体开关和二极管为理想器件，整个系统的零电平设定为直流总线电压的一半。这样，可简化计算出功率模块输出波形的数字表达式。

反电动势测量

　　反电动势测量技术是基于直流无刷电机在任何时候都仅有二相同时通电这一事实，因而第三相可用于测量反电动势。

让我们假设A要和B相有电而C相无电的情况，此时C相无电流通过。由以下条件来表示

SAb,SBt←PWM

uVA=±1 / 2ud,uVA=±1 / 2Ud (1)

iA=-iB,ic=0,dic=0

uiA+uiB+uic=0

由此条件可计算出C相电压为

uVA=3 / 2 uic （2）

C相电压可在功率模块C输出端和零电平获得。因此反电动势电压就可在过零点时获得。

同样，相A和相B也可得出相似结论

uvx=3 / 2uix……x=A,B,C (3)

所示为0～360°周期内各相与电机绕组电压，图中长方形阴影表示等式（3）有效。换言之，反电动势可在此期间内测得。

系统概念

成本目标使得设计变得越来越简单化。

　　如前所述，反电动势过零检测可完成位置确认。电阻网络用于将测得的电压降低到0～15V的水平。简单的滤波器用于防止在IGBT信号转换时产生的高电压干扰。乘法器用来选择同电流交换相应的相位比较器输出，然后将此信号传至单片机的输入捕捉引脚。

降压电阻（0.6欧姆/2瓦）用于测量由PWM转换的直流总线电流，并将得到的信号经速形放大至0～5V。单片机内部的模数转换器与PWM信号是同步的。这是为了避免IGBT开关时的尖峰，并简化电路。模数转换器也用于测量直流总线电压和速度设定，直流总线电压通过一个电阻网络降成5V电平。

　　六个IGBT（与内置续流二极管封装在一起）和高压门驱动器组成了功率模块。驱动器可提供电平转换，以驱动通常电机驱动所采用的高压桥电路。PWM技术用来控制电机相位电压。

为达到欧洲协会标准IEC555-1，采用了具有线路滤波和射频滤波器的普通电源（直接整流）。

控制算法

控制过程包括5个阶段：定位阶段、加速阶段、稳定阶段、锁相环PLL捕获阶段和运行（相位锁定）阶段。

１.定位阶段

　　在电机启动前，在向两相加电时，有一段很短的时间（取决于电机电子时间常数），电流控制器将电流保持在一个预先设定的限度同，内，引阶段对于产生大启动力矩是十分必要的。

2.加速

　　此时，电机启动并达到它的工作速度，电流控制器将保证电流在最大限度内以确保转换不会被锁死。此时用反电动势测量技术测量转子位置。但无论如何，驱动必须在无反馈的条件下开始，这是由于所产生的电压幅度是与电机速度成比例的。因而在电机速度很低的情况下，无法测量到反电动势，必须使用一个特别的启动算法。

３.稳定

　　此时电机在一定速度下运行了一小段时间，电机转速在反电动势反馈同步发生前已稳定。

４.锁相环捕获

　　此时电流控制器关断，仅保留过流检测功能，电机由电压源供电。这种交换必须小心。实际的PWM占空比（相位电压）开始减小，直到在设定的时间范围内可检测到若干过零点，其流低速度必须按需调整以防止产生系统共振。

５.运行（锁相环锁定）

　　在此阶段必须达到以下条件：在一定的时间范围内必须检测到过零点；在一个为换周期内的电流峰值必须在一个设定的限度内。

　　这样，锁相环控制器保持电机在设定的速度下高效地运行，并持续进行电流检测、过流检测和电机失速检测。基于HC08芯核的单片机使得控制这样的低成本应用易如反掌。剩下的存储空间（大于20K字节）和性能余量足以完成其它各项应用目的。它使得设计者能完成更加高级的电机控制驱动，完成其它各种客户要求的任务（如键盘控制和显示控制）。

结论

相对来说，用电子方式控制电机驱动的趋势也是刚刚开始。现在各电机和半导体公司都在致力于用变频驱动方式来取代定速电机。本文所述的低成本系统的变频驱动方案就是希望能在全世界范围内的节能浪潮中有所贡献。

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