基于反电动势法的航模电调的设计.docx
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基于反电动势法的航模电调的设计
摘要
本文首先介绍了目前常见的无刷直流电机的基本组成和工作原理,接着比较了有位置传感器和无位置传感器控制两者之间的区别,并阐述了各自的优缺点,随后给出了无位置传感器众多的控制方法,重点分析了反电动势的检测方法,之后介绍了换相策略、PWM调制方式以及闭环启动控制原理。
最终确定选择ATmega8单片机为核心,自主设计了控制系统的硬件电路,重点包括反电动势的过零检测电路、电压电流信号检测电路、逆变电路。
结合了无刷直流电机驱动的要求和MEGA8芯片特点,抛弃了传统的使用6个N沟道控制的逆变电路,而是使用3对P和N沟道的MOSFET控制的全桥逆变电路。
考虑到芯片必须安全工作,在设计中加入了过压和过流保护电路。
本设计中,最为关键的就是要知道转子的准确位置,才能准确的换相。
我们采取了一只种十分巧妙的方法,即对虚拟中性点进行过零检测,从而得到反电势的过零点,最终完成对无位置传感器的无刷直流电机的控制。
关键词:
无刷直流电动机反电动势法过零检测
Abstract
Thispaperdescribesthecurrentstructureandoperatingprincipleofthebrushlessmotor,andthencomparesthedifferencesbetweenoperationswithapositionsensorcontrolandwithoutapositionsensorcontrol.ThisresearchshowsthenumerouscontrollingmethodsofSensorless.ItfocusesontheBack-EMFdetectionmethod,thenitintroducesthecommutationstrategy,PWMmodulationandclosed-loopcontrolprincipletostart.EventuallyitchoosesATmega8microcontrollerasacoreelementtoself-designcontrolsystemhardwarecircuit,highlightingzero-crossingdetectioncircuit,voltageandcurrentsignaldetectioncircuitanddrivercircuit.ItcombinesbrushlessmotordriverequirementsandMEGA8chipfeatures,usesfull-bridgeinvertercircuit3PandN-channelMOSFETcontrolratherthanthetraditionaluseofsixN-channelcontroloftheinvertercircuit.Tomakesurethechipcanbeoperatedsafely,over-voltageandover-currentprotectioncircuitaredesigned.
Inthisdesign,thedetectionoftherotorpositionisakeypartoftheoverallcontrolsystem,completingtheBack-EMFzerocrossingtestbytakingavirtualneutralpointzerocrossingtest.FinallythecontrolofthepositionsensorlessbrushlessDCmotorisdone.
Keyword:
BrushlessDCmotorBack-EMFZero-crossingdetection
1绪论
1.1无刷直流电机发展现状
早在上世纪30年代,人们就开始探索是否可以用电子换向器来代替电刷机械式换向的直流电动机,从而减少碳刷带来的磨损。
1955年,美国学者HarrisonDB和RyeNY借助晶体管替代电机机械电刷使无刷直流电机能够准确的换相,而这标志着现代无刷直流电机慢慢开始发展起来了,但因为电机尚无启动转矩不能产品化。
1962年,有关人员通过霍尔元件的帮助成功对无刷直流电机进行换相,从而使无刷直流电机走出了实验室,走到了我们的日常生活中。
近十年来,无刷直流电机随着电机技术及相关学科的发展,在我国有了迅速的发展和更加广泛的应用。
因此,很多发达国家,之前以有刷直流电机主导的机械电器自动化工程开始逐渐被无刷直流电机所替换。
1.2无刷直流电机研究意义
无刷直流电动机在电动车和航空航天、计算机外设、商业自动化仪器、工业机器人等众多领域都有了普遍的应用。
此外,超小体积、小功率无刷直流电机作为能耗低,安装方便,高效的新型电机,还被广泛应用于打印机,传真机,碎纸机,电脑硬盘和其他办公设备,可以说无刷直流电动机的应用在生活中无处不在。
结合了新的控制技术、传感器技术以及新的电子设备的这种电动机,给人们提高了很大的家用电器性价比,为社会节约了能源。
无刷直流电动机在民用和工业领域有着相当强大的发展潜力。
但是无刷直流电动机相对于其他类型的电机来说是却只是一种新型的电机,所以它的驱动和控制方法也和电力电子技术的联系越来越紧密。
所以,透彻的研究无刷直流电机的控制原理,对人们的日常生活和社会的经济发展有着非常重要的意义。
1.3无刷直流电动机的控制方法
无刷直流电动机的控制方式主要被分为有位置传感器的控制方式以及无位置传感器的控制方式这两种。
1.3.1有位置传感器控制方式
所谓有位置传感器的控制方式其实就是在电机的定子上装上相应的位置传感器,通过这些位置传感器检测转子的位置信号,而最常使用的是霍尔位置传感器。
它体积小、安装灵活方便、使用方便可靠,所以被广泛的应用。
利用霍尔传感器来检测电机在高速运行过程中转子的准确位置,并且把检测得到的位置信号转化为电信号,传送给芯片,控制芯片会处理,之后转化为正确的电信号输入到逆变器的六个功率管的栅极中,通过正确引导开关的通短顺序,使得电机能够正常运行。
1.3.2无位置传感器控制方式
无位置传感器不是真的完全没有传感器,而是没有机械形式的位置传感器,也就是不在电机的定子上安装具体的位置传感器,而是在电机转动的过程中,通过硬件和软件配合检测到电压或者电流信号,通过计算,获得转子位置信号,让芯片控制逆变器的六个开关管的栅极导通顺序,可以让电机来准确换相。
无位置传感器的控制方法成为了研究无刷直流电机首要的方向,其核心问题主要是怎么使用软硬件结合的方法,搭建转子状态量的检测电路。
目前能解决这一问题的主要方法有三次谐波电势法,电感法,反电势法,状态观测器法。
其中反电势检测法是理论最为成熟也是应用最为广泛的转子位置检测的方法。
1.4本设计的研究内容
一般的航模都是由遥控器发射控制信号,接收机接收此信号并将指令传送给电调和舵机,舵机控制舵面的运动来调整飞行器的飞行姿态,电调则为接收机供电并接收油门控制信号来控制电机转速的,它最基本的功能就是电机调速(通过电压进行调节)。
其次,为遥控接收器上其它通道的舵机供电。
而无刷电调多一个重要功能,就是充当换相器的角色,因为无刷电机没有电刷进行换相(直流电机需要将输入的直流电不断的切换电流方向,使电机旋转),所以需要靠电调进行电子换相。
当然,电调还有一些其它辅助功能,如电池保护,启动保护、刹车等。
随着科技和产品的不断发展,主流航模电调从刚开始的10A、20A、30A发展到现在的60A、70A、80A、90A,现在这些也渐渐的不能满足航模爱好者更高的追求了。
100A、110A、120A的航模电调也相续面世。
随着新科技,新材料,新配件的发展,航模电调的要求将会越来越高。
因为航模领域的特殊性,关于对电机的控制也有比较特殊的要求。
重要的便是需要控制系统体积尽量要小、质量尽量要轻。
就必须在设计控制电路的时候使用较简单的电路,来减少元器件的数量。
本设计使用MEGA8单片机作为核心来构造无刷直流电机控制系统,该系统充分发挥MEGA8单片机的特色使得外围控制电路相当简单,能够满足设计的要求。
2系统整体设计方案
2.1无刷直流电机的结构
无刷直流电动机(BrushLessDirectCurrentMotor,以下简称BLDCM)是近几年来,由于新型电力电子器件的应用和微处理技术的发展以及慢慢成熟起来的直流电机控制方式和低成本的、高能量永久磁铁的出现而诞生的新型直流电动机。
其基本组成部分如图1-1所示,那么一般的无刷直流电动机的结构有电机本体、电子换相电路、位置传感器和逆变器这四部分,其中电子换相电路由驱动部分和控制部分组成。
图1-1无刷直流电机结构图
BLDCM通过电子的换相装置来取代传统的电刷来实现直流电机的换相,在结构上还与永磁同步电机类似,而且同直流电机一样,运行效率高、调速性能好,也继承了交流电机可靠性强、维护简单方便等优点。
如下表1-1所示。
表1-1三种常用电机的性能比较
性能
传统直流电机
交流异步电机
无刷直流电机
过载能力
大
小
大
机械特性
硬
软
硬
平稳性
较好
较差
好
噪声
大
较大
小
效率
高
低
高
维护
难
易
易
2.2无刷直流电机工作原理
图1-2三相电机定子绕组
图1-2是定子绕组的缠绕方式,A、B、C三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的形式被联结在一起。
当它们两两通电时,一共有6种情况,分别是AB,AC,BC,BA,CA,CB,图1-3(a)~(f)分别阐明了各个时刻通电线圈产生的磁场方向和两个线圈的磁感应强度的合成方向。
图1-3Y形绕组两两通电的6种状态
例如图1-3的(a)中,此时AB相通电,转子肯定会向合成箭头的方向靠拢,那么当转子转到这一位置时,外线圈就要迅速换相,换成AC相通电,使得转子继续转动,并接着往图(b)中的合成箭头处靠拢,当转子转到这个位置的时候,外线圈换成BC相通电,往后以此类推,并不断循环。
当外线圈换相次数到达6次之后,转子也就旋转了一周。
2.3研究方法和技术路线
选用ATmega8单片机作为系统控制芯片,电机驱动部分使用P沟道和N沟道一上一下的全桥驱动电路。
(1)本设计主要分为三个部分:
电机驱动系统,单片机控制系统,监控保护系统。
(2)各部分的功能:
①单片机控制部分:
通过系统的运行设定参数以及系统的实时运行状态来分析处理输入输出信号,从而对无刷直流电机来进行调整控制;②电机驱动部分:
对输出信号进行放大和检测,完成后,放大器信号输入到逆变器中,正确引导6个功率管的导通状态,使得电机能正常运行;③监控部分:
实现对系统实时监控,当电机运行出现异常时,芯片会立即产生报错信号,强制电机停止运行。
(3)主要设计内容:
①MEGA8单片机控制系统的设计;
②电机驱动电路的设计;
③系统硬件电路的设计;
④系统检测保护电路的设计;
⑤系统控制软件设计;
2.4反电势法的基本原理
反电势检测简称Back-EMF是通过检测无刷直流电机三相绕组旋转过程中不通电的那相绕组产生的反电动势,来得到转子的位置情况。
反电势检测方法还分为端电压法(过零检测法)、续流二极管法、积分法、三次谐波检测法。
2.4.1过零检测法
过零检测法是通过硬件电路测出电机三相绕组中悬空相产生
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- 基于 电动势 航模 设计