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dsPIC30F 在无传感器 BLDC 控制中的应用
著者: 合著者:
Charlie Elliott Smart Power Solutions, LLP Steve Bowling Microchip Technology Inc.
已知限制
使用时,无传感器系统能可靠工作的最大输出频率 大约为 150 Hz.但是,这一限制可以让很常见的 4 极电机的最高运转速度达到 4500 RPM. 如果使用相位超前,输出频率最高可达 250 Hz (4 极电机可达 7500 RPM) 通过修改软件,可达到 . 更高速度. 支持对角逆变器开关器件的硬调制. 系统支持在闭环换相模式下运行,通常风扇和泵都 需要这种支持.
引言
本应用笔记描述了一种完全可行且高度灵活的软件应 用,使 用 dsPIC30F 来 控 制 无 传 感 器无刷直流 (brushless DC,BLDC) 电机.此软件将 dsPIC30F 外 设广泛应用于电机控制.所实现的无传感器控制算法特 别适用于风扇和泵.程序使用 C 语言编写, 经过特别优 化,并附有详细的注释以便于理解和程序修改.
背景知识
无刷直流 (BLDC)电机体积小,可控制且效率高,因 此在消费和工业应用中得以采用.这种电机还越来越多 地被应用于汽车应用中,以避免使用皮带和液压传动系 统,并提供更多功能和改善燃料利用率. BLDC 电机控 制所需磁性元件和电子元器件成本的不断降低使得无刷 直流电机的应用越来越广泛,同时还被用于更高的功率 级别. 由于电励磁必须与转子位置同步,BLDC 电机运行时通 常带有一个或多个转子位置传感器.由于成本,可靠性 以及机械装配等因素,尤其是当转子浸没在液体中运行 时,要求电机不带位置传感器运行 (即所谓的无传感 器运行) . 本文假设读者已经熟悉了带有位置传感器的 BLDC 的工 作原理,因此不再详细阐述该技术. Microchip 应用笔 记 AN857 中对 BLDC 电机控制进行了非常有用的介绍. 在参考书目列出的书籍中可以找到其他相关内容.需要 注意的是,本文讲述的无传感器方案是 AN857 所述的 更高级形式.最后应该指出,本文中所有论述以及应用 软件均假定使用三相电机.
软件特点
采用反电动势过零检测程序,无需使用位置传感元 件. 应用程序包含可调节参数和两种可选的起动方法以 适应特定负载. 可检测无传感器算法是否失效. 可重新起动无传感器控制而无需停止电机. 可控制放电电流以调节 DC 母线电压. 换相方案支持随速度增加而线性引入达 30°的相 位超前,进而获得更高的电机效率和更宽的速度范 围. 四种不同方式来控制电机速度. 简单的用户界面, LCD 显示, 带 可通过按钮调节超 过 40 项参数. 软件大约占用 5 MIPS(最大) ,需要大约 16KB 的 程序存储空间. 不包含用户界面和调试代码时,应用代码可以装入 不到 12 KB 的程序存储器中,可与已设计的最小 存储器 dsPIC30F 器件 (dsPIC30F2010)兼容.
2004 Microchip Technology Inc.
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BLDC 电机换相的无传感器技术
本文讨论的方法仅适用于标准结构的三相电机(不含搜 索线圈或不对称设计) . 另外,本文还假定采用常规 120°通电方式,这样在一些时间段会出现某相上电流 为零,不通电的现象.为使电机运行,必须按照周期性 间隔切换通电的相 (即换相) . 要使电机正确换相,必须测量电周期中的绝对位置.对 于常规通电,每个电周期需要六次等距换相.这通常是 通过三个霍尔效应开关或光学开关(转子上要有相应的 圆盘)实现的.并不需要连续的位置信息,只要检测所 需换相情况即可.图 1 给出了三个传感器的输出和每相 的相应反电动势 (Back EMF, BEMF)电压波形.
磁阻变化方法
如公式 1 的磁欧姆定律所示,磁阻是电阻的磁当量:
公式 1:
磁欧姆定律
MMF = ------------Φ
在此公式中: = 磁阻 MMF = 磁动势 Φ = 磁通量 磁阻表示磁通流经由钢,气隙和磁体组成的磁路的难易 程度.磁体是非常好的磁通源,相当于电流源.相绕组 是良好的 MMF 源,相当于电压源. 在低磁负载时,钢 的磁阻很小,并处于磁不饱和状态.在高磁负载(一般 为 >1.5 T)下,钢的磁阻会随磁饱和的开始迅速增加. 空气具有非常高的磁阻,它与磁负载无关.磁性材料也 有相似的特性. 磁阻随位置而变化,因此可以作为无传感器运行的基 础.在所有 BLDC 电机中,磁阻随角度也会发生某些变 化. 从电机来看,磁阻的变化与电感的变化一样明显. 磁阻变化有明显的优点,因为在零速度下可以检测到. 但是,需要先了解要控制电机的 L(i,θ) 特性. 不幸的是,对于很多 BLDC 电机,磁阻随位置的变化太 小,无法可靠地进行测量.尤其是对于表面安装了磁体 的电机,其有效气隙很大,所以此特性在这类电机上表 现得尤为明显.因此,磁阻的主要部分是不变的,这使 随位置发生的剩余变化很难测量.在专门设计为低转矩 脉动的电机中,磁阻变化也会较小,因为变化的磁阻会 产生多余的转矩.隐磁或内磁电机的磁阻随角度变化很 大,但是它们一般用正弦电压通电,因此这里不再讨 论.

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