應(yīng)用于光伏水泵系統(tǒng)中的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制

摘要：介紹了應(yīng)用于光伏水泵系統(tǒng)中的直流無刷電機(jī)及其控制方法，利用定子繞組反電勢信號，用Motorola公司的MC68HC908JK3ECP單片機(jī)實現(xiàn)了對直流無刷電機(jī)的控制。實驗證明，過零點識別電路簡單有效，三段式起動適用于光伏水泵系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：光伏水泵系統(tǒng)；直流無刷電機(jī)；反電勢；過零點識別電路；三段式起動

0    引言

    近年來，隨著電力電子器件及控制理論的迅速發(fā)展，永磁直流無刷電機(jī)以其高效性，良好的調(diào)速性，易于維護(hù)性而得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的永磁直流無刷電機(jī)往往采用位置傳感器來確定轉(zhuǎn)子的位置，這不僅增大了電機(jī)的安裝體積，增加了成本，而且降低了電機(jī)的可靠性。目前，無傳感器直流無刷電機(jī)一般采用三段式起動方式，起動轉(zhuǎn)矩在開始起動時比較小，并且有脈動，對于有起動轉(zhuǎn)矩要求的系統(tǒng)存在著局限性，而在中小型太陽能光伏水泵系統(tǒng)中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩是隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加的，不計摩擦力，在靜止時負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零，所以，直流無刷電機(jī)可以應(yīng)用于光伏水泵系統(tǒng)，并且整個系統(tǒng)是直流的，無須逆變，那么，在光伏水泵系統(tǒng)中應(yīng)用直流無刷電機(jī)，對于提高系統(tǒng)效率,簡化系統(tǒng)裝置就具有重大的意義。

1    光伏水泵系統(tǒng)簡介

    光伏水泵系統(tǒng)由光伏陣列，控制器，電機(jī)，水泵4部分組成。光伏陣列由許多太陽電池串并聯(lián)構(gòu)成，直接把太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能。目前所用的太陽電池都為硅太陽電池，包括單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽電池。由于光伏陣列的輸出伏－安特性曲線具有強(qiáng)烈的非線性，而且和太陽輻照度、環(huán)境溫度、陰、晴、雨、霧等氣象條件有密切關(guān)系,所以，如果要使光伏水泵系統(tǒng)工作在比較理想的工況，就需要用控制器去調(diào)節(jié)、控制整個系統(tǒng)。電機(jī)是用來驅(qū)動水泵的，由于電機(jī)的功率因數(shù)及電壓等級在很大程度上受到太陽電池陣列的電壓等級和功率等級的制約，因此，對水泵揚(yáng)程、流量的要求被反映到電機(jī)上，往往在兼顧陣列結(jié)構(gòu)的條件下專門進(jìn)行設(shè)計。對于要求流量小、揚(yáng)程高的用戶，宜選用容積式水泵；對于需要流量較大，但揚(yáng)程卻較低的用戶，一般宜采用自吸式水泵。

2    單片機(jī)M68HC908JK3ECP介紹

    這是Motorola公司的8位單片機(jī)家族中的成員之一，同樣具有高性能，低成本的優(yōu)點。它內(nèi)嵌4k閃速存儲器FLASH，128字節(jié)RAM；具有10個通道的8位精度ADC模塊，15個I/O端口；時鐘模塊具有輸入捕捉，輸出比較及脈寬調(diào)制等功能，能滿足系統(tǒng)要求。

3    無傳感器直流無刷電機(jī)控制原理

    無刷電機(jī)的定子為三相對稱繞組，采用兩相通電方式時控制電路按照一定的順序向定子的兩相通入直流電流，產(chǎn)生定子磁勢F_a；轉(zhuǎn)子為永磁材料，產(chǎn)生磁勢F_f，通過兩者的相互作用，可以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T=F_aF_f|sinθ|，顯然，當(dāng)θ=60°～120°時，平均電磁轉(zhuǎn)矩最大。故檢測轉(zhuǎn)子磁勢位置時，當(dāng)定轉(zhuǎn)子磁勢夾角為60°時，三相繞組中的某兩相導(dǎo)通，轉(zhuǎn)過60°時，其中一相的功率管關(guān)斷，另一相中的功率管導(dǎo)通。這樣，保證定轉(zhuǎn)子磁勢夾角為60°～120°，達(dá)到轉(zhuǎn)矩最大的目的。由于每次轉(zhuǎn)過60°只關(guān)斷一個功率管，故每個功率管導(dǎo)通角度為120°，這種方式為120°導(dǎo)通方式。

    主電路采用三相全控橋，如圖1所示。圖2為三相6拍工作方式下典型的相電壓反電勢波形圖。由圖2我們可以清楚地看到，在該相懸空狀態(tài)（過零點前后30°區(qū)域）下，繞組感應(yīng)反電勢按正弦規(guī)律變化，平頂部分為繞組通電激勵時逆變換相主電路電壓鉗位引起的。換相點發(fā)生在過零點后30°，使用反電勢法來實現(xiàn)電子換相，就是在過零點檢測電路檢測到過零點后30°進(jìn)行換相。三相6拍工作方式下，導(dǎo)通次序為S₁，S₂－S₂，S₃－S₃，S₄－S₄，S₅－S₅，S₆－S₆，S₁－S₁，S₂?；诜措妱莸碾娮訐Q相方法有多種，如“1/2母線電壓比較法”、“端電壓比較法”等，但這些測量方法都存在抗干擾能力弱的問題，特別是在PWM調(diào)制情況下，測量時必須采取專門措施避開或抑制干擾，增加了控制電路的復(fù)雜性，并且可能產(chǎn)生換相滯后。采用“虛擬中點法”可以解決以上問題，并且在PWM調(diào)制情況下，其開關(guān)噪聲不會影響相繞組的過零測量，檢測電路也較簡單。

圖1    三相六拍主電路

圖2    典型的相電壓反電勢波形

    在靜止或低速狀態(tài)下反電勢值為0或很小，無法用反電勢法來判定轉(zhuǎn)子的位置，通常采用三段式起動方式來解決這個問題，即先按他控式同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)從靜止開始加速，當(dāng)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速時再切換到反電勢法控制狀態(tài)，包括轉(zhuǎn)子定位，步進(jìn)起動和自由切換三個階段。轉(zhuǎn)子定位時首先導(dǎo)通兩個功率管，一般來說先導(dǎo)通S₆及S₁，一定時間后就完成轉(zhuǎn)子的初始定位。步進(jìn)起動時從初始位置開始，按前面的導(dǎo)通次序依次導(dǎo)通各功率管，但導(dǎo)通時間按一定規(guī)律遞減，以達(dá)到提速的目的。步進(jìn)起動結(jié)束后進(jìn)行自由切換，保證換相的正確性，同時，PWM斬波使直流側(cè)電壓逐漸加到主電路上，使無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速按控制要求加速，相當(dāng)于電機(jī)轉(zhuǎn)速的軟起動過程，這樣就避免了電機(jī)在起動初期會產(chǎn)生大電流，減少了對主電路的沖擊，延長了功率管的壽命。

4    系統(tǒng)實現(xiàn)

    系統(tǒng)硬件電路由主電路、驅(qū)動電路、過零點檢測電路、采樣電路、各種保護(hù)電路組成。過零點檢測電路檢測到過零信號，并把過零信號送到JK3單片機(jī)的捕捉口，JK3單片機(jī)接收到過零信號，由軟件計算出延遲時間，并在延遲時間到后發(fā)出換相脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為驅(qū)動信號去驅(qū)動各功率管，這樣就實現(xiàn)了單片機(jī)對直流無刷電機(jī)的控制。保護(hù)電路主要有過電壓充電保護(hù)，低水位保護(hù)。

    系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，包括初始化模塊，PWM中斷模塊，捕捉中斷模塊，采樣保護(hù)模塊。PWM中斷模塊實現(xiàn)了無刷電機(jī)的步進(jìn)起動，自由切換運(yùn)行。PWM中斷模塊的流程圖如圖3所示。

圖3    PWM中斷模塊 

    初始化模塊主要完成程序所用變量的初始化，PWM中斷初始化，捕捉中斷初始化，發(fā)初始定位脈沖；捕捉中斷完成反電勢過零點的捕捉及換相周期的確定；采樣保護(hù)模塊主要用來采集直流側(cè)電壓和電流，以及判定和處理故障。實驗數(shù)據(jù)證明，換相時刻的準(zhǔn)確性和相位跟蹤的快速性對電機(jī)控制的性能影響極大，電子開關(guān)的準(zhǔn)確換相點每次都在該相不激勵繞組的反電勢過零后30°的電角度位置，由于電機(jī)的運(yùn)行是變速運(yùn)行，換相周期是變化的，所以并不能準(zhǔn)確確定延遲30°電角度的換相時間，只能根據(jù)前若干個換相周期的變化趨勢，對該次換相時刻進(jìn)行合理有效的濾波和預(yù)估，有數(shù)字濾波和鎖相跟蹤兩種方式。

    圖4為系統(tǒng)正常運(yùn)行時測得的線電壓波形，毛刺部分是由PWM斬波和換相引起的。從圖中可以看出，電壓波形比較接近于理想情況，說明換相點準(zhǔn)確，從而驗證了對整個系統(tǒng)控制思想是正確的。

圖4    相電壓波形

5    結(jié)語

    上述思想已經(jīng)在500W太陽能光伏水泵系統(tǒng)中得到驗證。系統(tǒng)起動時起動電流正常，步進(jìn)起動結(jié)束后加速平穩(wěn)。