无位置传感器无刷直流电动机变频调速系统的硬件设计

    杨苹，胡郴龙，姜华

(华南理工大学电力学院广东省绿色能源技术重点实验室，广东广州510640)

     摘要：探讨了无位置传感器无刷直流电动机(BLDCM)变频调速系统的硬件设计过程，给出了基于智能功率模块(IPM)PS21865的主电路实现方案，完成了以数宁信号处理器TMS320I,F2407A为核心的控制电路和辅助电路的硬件设计，整个系统集成度高、控制灵活、功能完善。试验结果表明，无位置传感器BLDCM变频调速系统具有良好的调速性能，系统控制精度高、运行稳定可靠，具有实际应用价值。

    关键词：无刷直流电动机；变频调速；无位置传感器

    中图分类号：TM 92I 51：TM 33文献标志码：A文章编号：1673-5540(2010)05-0324-5

0  引  言

    由于无位置传感器无刷直流电动机(Brash—less DC Motor，BLDCM)变频调速系统具有体积小、效率高、调速精度高和转矩大等特点，并具有良好的节能效果，现已广泛应用在各类驱动装置和伺服系统中^[1-2]。

    本文针对目前国内、外对无位置传感器BLD—CM变频调速系统需求越来越大、要求越来越高的现状，在理论分析和仿真试验的基础上，完成了无位置传感器BLDCM的变频调速系统的硬件设计。使用高性能数字信号处理器(DSP)满足了电机控制系统不断增加计算速度的要求，同时引入集成度较高的智能功率模块(Inte]]igent PowerModule，IPM)，提高了产品的模块化水平。整个系统结构紧凑、控制灵活、实用性强。

1 BLDCM系统工作原理

    BLDCM系统巾电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成[3]。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器实时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和关断，从而自动控制绕组的通断电，实现电子换向。与BLDCM系统相比，无位置传感器BLDCM系统中转子位置信息是通过处理器进行计算获得的，其原理图如图1所示。

     目前，BLDcM无传感器控制[4-5]较为典型的控制方法有反电势法、定子三次谐波法、涡流效应法、磁通估计法等^[6]，其中反电势法是一种******实用的转位置检测方法。由丁BLDcM的绕组反电势波形直接反映转子的位置，因此可以利用绕组反电势米获取转子的位置信息。对于采用两相导通三相六拍运行方式的BLDcM而言，二相绕组中在任意时刻总有一相处于断开状态，检测断开相的反电势信号，当其过零点时，转子直轴与该相绕组轴线重合，再经过30。电角度按照开通顺序进行换相。故只要检测到各相反电势的过零点，即可获知转予的若干个关键位置，这就是反电势法的基本原理[7]。反电势转子位置检测法在电动机起动前，必须对转子进行定位后才能进行正常的位置计算。

2系统硬件设计

    本文设计的无位置传感器Blll)cM变频调速系统主要由主电路、控制电路和辅助电路二三部分组成，其结构如图2所示。主电路包括整流和斩波电路及IPM功率和检测电路；控制电路即DsP调速控制器模块；辅助电路主要由系统和驱动电源模块及人机接口电路构成。

2．1主电路设计

    本文介绍的无位置传感器BLDcM变频调速系统是基于交一直一交变频调速系统拓扑进行的硬件设计，交直交变频的基本组成电路有整流和逆变两部分，整流电路将工频交流整流成直流电，逆变电路再将直流电逆变成为频率可调的****输出电流限额为20 A。    (2)IPM功率电路。

    IPM功率和检测模块实现了本系统中无位置传感器BI。DcM的__作电源逆变和运行状态检测的任务，直接影响电动机的工F常运行和控制器的控制精度。

    IPM包含了IGBT芯片及外围的驱动和保护电路，是一种集成型功率器件。由于其简单易用、性能稳定及日趋走低的价格而获得了广泛应用。该系统所用的IPM选用三菱电机株式会社的第三代DIP—IPM Ps21865。该芯片具有如下典型特点：低损耗；采用自举电路结构，可实现单电源驱动；内置有IGBT驱动电路，过载保护，控制电源欠压保护；内置专用HVIc(}tigh V0ltage Ic：600V)，无需绝缘电路(如光耦)等。虽然IPMPS21865已经提供了方便的控制接口，但为了系统安全，还是建议使用4组