基于ml4425的无传感器无刷直流电机控制电路设计.docx
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传统的永磁无刷直流电动机均需一个附加的位置传感器,用以向逆变桥提供必要的换向信号,它的存在给直流无刷电机的应用带来很多的缺陷与不便。
本项目利用无刷直流电动机两相通电,检测非导通相反电势过零点,进而对电机绕组进行换向。
本项目创新地采用检测非导通相反电势过零点,检测电机转子位置,进而对电机绕组进行换向。
这样做不但可以减少电机的体积、提高电机的可靠性。
在本方案中,我们选择以ML4425芯片为核心构成驱动电路,起到启动和控制Y接无刷直流电机速度、调节各项功能的作用,它通过检测电机绕组上的反向电动势电压,利用锁相环PLL技术确定争取合理的相位序,实现无位置传感器无刷直流电机相位闭环控制。
同时我们应用的EMF反向电动势检测技术能够整流任何三相无刷电机,且对反馈电路PWM噪音和电机制动电路不敏感。
本系统还具有欠压和过流两种保护。
本方案调试方便,开发周期短,开发成本低,性能稳定可靠,制作工艺简单,在众多永磁无刷电机控制器中占有极大的优势,具有科研和实际应用的双重价值。
二、课题研究背景普通直流电机依靠电刷和换向器完成换相,在换相过程中会产生火花,给系统的电磁兼容设计带来了很大的问题;同时,电刷和换向器的滑动接触会产生机械损耗,降低了电机效率,缩短了电机寿命。
永磁无刷电机革除了传统的滑动接触机构,因而消除了故障的主要原因。
同时由于转子上没有绕组,因此也没有电的损耗。
又因为主磁场是恒定的,因此铁损也是极小的(在方波电流驱动时,电枢磁势的轴线是脉动的,会在转子铁心内产生一定的铁耗)。
总的来说,除了轴承旋转产生的摩擦损耗外,转子的损耗很小,因而进一步提高了工作的可靠性。
近年来,无传感器永磁无刷电机的研究可谓是炙手可热。
2002年召开的IEEE第17届应用电力电子技术会议上,无传感器永磁无刷电机就是大会讨论的热点之一。
在永磁无刷电机的运行中,逆变桥功率器件是根据转子的位置信号决定其导通逻辑的,因此,准确检测转子的位置是电机正常运行的关键。
传统方案是通过位置传感器来检测转子位置,如霍尔器件,光学编码器,旋转变压器等。
然而,使用位置传感器带来了如下一些问题:
(1)增加了电机的成本;
(2)占用了电机的空间结构,限制了电机的小型化;(3)增加了电气连接的数目,给抗干扰设计带来了一些困难;(4)分辨率低导致运行特性不好;(5)位置传感器的安装增加了电机装配的工艺难度。
由于以上缺点,十多年来,关于无位置传感器的转子位置检测引起了人们的极大兴趣,并提出了许多实用方案,这些方案基本上可以归纳为五个方面:
端电压法、电流法、磁链法、状态观测器法和人工智能方法。
前三种方法的研究相对比较成熟,且在一定范围得到了应用,而人工智能方法估计转子位置的研究尚处于起步阶段。
三、课题研究主要内容我们选择了由ML4425控制器构成BLDCM控制系统,再辅以反激式开关电源和由IPM21869为核心构成的驱动电路,构成了一套完整的BLDCM控制系统。
通过分析,我们将整个项目分成四个部分:
ML4425控制电路部分,开关电源部分,功率电路部分和保护电路部分。
在ML4425控制电路中,我们设计出了一套针对ML4425的控制电路参数的设计软件,同时针对ML4425控制芯片设计并制作了控制电路板,用以控制无位置传感器无刷直流电机的启动、调速、制动。
图1ML4425外围电路原理图本项目中设计了高效率、低噪声、多路输出并且电气隔离的开关电源,分别为IPM、ML4425及其它芯片提供15V、12V、5V的直流电源。
采用了美国UNITORDE公司生产的一款性能优良的单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片UC3842,通过引入电压闭环,利用反馈电路调节PWM占空比,同时增加了稳压管,保证电源加负载供电稳定,大大改善了供电的电压调整性能和负载调整性能。
PWM型开关电源把输出电压的采样作为PWM控制器的反馈电压,该反馈电压经PWM控制器内部的误差放大器后,调整开关信号的占空比以实现输出电压的稳定。
经过分析最终了采用线性光耦改变误差放大器的增益的反馈方式。
图2开关电源电路图本项目研究的控制对象输入电压为220V,整流以后的直流电压最大值为,控制对象的额定功率为400W。
考虑到系统的通用性和扩展性和调试难度,本项目选择了三菱公司的600V/10A的IPM模块,型号为PS21869。
IPM具有高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点,以及高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。
同时设计了IPM的自举电路,使得IPM采用了单电源驱动电路。
图3IPM驱动电路本系统设计了完备的过流保护功能,除了使用ML4425和智能功率模块PS21869所带的保护功能外,还利用模拟比较器LM339实现了硬件过流保护。
通过采样电阻检测母线电流,并且将采样所得电压送入比较器的反向输入端,与电阻分压所得的2V进行比较。
当母线电流超过20A时,采样电阻的电压大于2V,比较器输出一个低电平的故障信号。
图4过流检测电路输出的低电平故障信号被送入D触发器锁存,并且通过两个LED显示,显示出是IPM发生故障还是硬件检测出过流现象。
故障低电平信号选通八路三态门74ACT245T的片选段,切断六路PWM信号,关断六路桥臂,实现过流保护。
图5过流故障处理电路开关电源及IPM功率电路最终的原理图如图6所示图6开关电源及IPM功率电路原理图我们同时对所构建的控制系统做了详尽的测试,经过测试,我们的控制系统可以驱动无位置传感器无刷直流电机达到设定的空载启动、空载调速、负载启动、负载调速等性能指标。
在对所选购的92BL
(1)A40-30(ST-2)型无刷直流电机的测试下,可以在3157r/min~380r/min之间均可以实现平稳的调速,并且速度环的控制也比较紧密,可以实现±1.5%的调节,能够在负载力矩为空载到额定负载1.3Nm下实现电机的平稳运行,并且具有较强的带载能力。
四、结论自2008年9月到2009年9月期间,我们从项目立案,方案选择,原理设计,设备采购制作PCB板,模块焊接,模块联调,最终完成了基于反电势检测转子位置无刷直流电机控制的研制。
本系统方便灵活,开发周期短,可直接在工频220v电压下驱动无刷直流电机,实现电机的平稳启动,并且电机具有较高的调速范围,在对所选购的92BL
(1)A40-30(ST-2)型无刷直流电机的测试下,可以在3157r/min~380r/min之间均可以实现平稳的调速,并且速度环的控制也比较紧密,可以实现±1.5%的调节,能够在负载力矩为空载到额定负载1.3Nm下实现电机的平稳运行,带载能力强。
本系统还拥有完备保护功能,能针对电机过高的相电流实现200us的pwm关断,控制线电流,维持电机的正常的工作,在系统出现故障的情况下,还可由主电路部分实现IPM下桥臂控制信号的彻底的关断,保护电机和控制电路。
五、体会通过不断地努力尝试,我们解决了在调试过程中所遇到的一个个新奇的问题,在解决问题的过程中,我们复习了以前学习的电机学和控制电机的知识,通过思考问题的起因和解决办法,我们在实践中将理论和实际结合到了一起,开拓了我们的眼界。
在对于ML4425的参数的计算过程中,我们深刻的了解了自动控制理论在实际系统的设计中的应用,对无刷直流电机的工作原理和运行情况有了更深刻的了解。
为我们以后对电机进一步的学习打下了坚实的基础。
在开关电源的设计中,我们加深了对于正激式脉宽调制变换的理解,同时第一次设计了高频变压器。
我们觉得这是对书本所学到的知识一次很好的应用和深入的拓展。
我们充分体会到了学以致用的道理。
在今后的学习中我要加强理论联系实际,勤思想、多动手。
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