直流無刷電機(jī)及其控制方法在光伏水泵系統(tǒng)中的應(yīng)用
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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(shì)信號(hào),用Motorola公司的MC68HC908JK3ECP單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流無刷電機(jī)的控制。實(shí)驗(yàn)證明,過零點(diǎn)識(shí)別電路簡(jiǎn)單有效,三段式起動(dòng)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(shì);過零點(diǎn)識(shí)別電路;三段式起動(dòng) 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(dòng)方式,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩在開始起動(dòng)時(shí)比較小,并且有脈動(dòng),對(duì)于有起動(dòng)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(jì)摩擦力,在靜止時(shí)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(gè)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(duì)于提高系統(tǒng)效率,簡(jiǎn)化系統(tǒng)裝置就具有重大的意義。 1 光伏水泵系統(tǒng)簡(jiǎn)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(gè)系統(tǒng)。電機(jī)是用來驅(qū)動(dòng)水泵的,由于電機(jī)的功率因數(shù)及電壓等級(jí)在很大程度上受到太陽電池陣列的電壓等級(jí)和功率等級(jí)的制約,因此,對(duì)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(jì)。對(duì)于要求流量小、揚(yáng)程高的用戶,宜選用容積式水泵;對(duì)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(diǎn)。它內(nèi)嵌4k閃速存儲(chǔ)器FLASH,128字節(jié)RAM;具有10個(gè)通道的8位精度ADC模塊,15個(gè)I/O端口;時(shí)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(duì)稱繞組,采用兩相通電方式時(shí)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(shì)Fa;轉(zhuǎn)子為永磁材料,產(chǎn)生磁勢(shì)Ff,通過兩者的相互作用,可以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T=FaFf|sinθ|,顯然,當(dāng)θ=60°~120°時(shí),平均電磁轉(zhuǎn)矩最大。故檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁勢(shì)位置時(shí),當(dāng)定轉(zhuǎn)子磁勢(shì)夾角為60°時(shí),三相繞組中的某兩相導(dǎo)通,轉(zhuǎn)過60°時(shí),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(shì)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(gè)功率管,故每個(gè)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(shì)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(diǎn)前后30°區(qū)域)下,繞組感應(yīng)反電勢(shì)按正弦規(guī)律變化,平頂部分為繞組通電激勵(lì)時(shí)逆變換相主電路電壓鉗位引起的。換相點(diǎn)發(fā)生在過零點(diǎn)后30°,使用反電勢(shì)法來實(shí)現(xiàn)電子換相,就是在過零點(diǎn)檢測(cè)電路檢測(cè)到過零點(diǎn)后30°進(jìn)行換相。三相6拍工作方式下,導(dǎo)通次序?yàn)镾1,S2-S2,S3-S3,S4-S4,S5-S5,S6-S6,S1-S1,S2。基于反電勢(shì)的電子換相方法有多種,如“1/2母線電壓比較法”、“端電壓比較法”等,但這些測(cè)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(cè)量時(shí)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(diǎn)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(huì)影響相繞組的過零測(cè)量,檢測(cè)電路也較簡(jiǎn)單。 圖1 三相六拍主電路 圖2 典型的相電壓反電勢(shì)波形 在靜止或低速狀態(tài)下反電勢(shì)值為0或很小,無法用反電勢(shì)法來判定轉(zhuǎn)子的位置,通常采用三段式起動(dòng)方式來解決這個(gè)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(shí)再切換到反電勢(shì)法控制狀態(tài),包括轉(zhuǎn)子定位,步進(jìn)起動(dòng)和自由切換三個(gè)階段。轉(zhuǎn)子定位時(shí)首先導(dǎo)通兩個(gè)功率管,一般來說先導(dǎo)通S6及S1,一定時(shí)間后就完成轉(zhuǎn)子的初始定位。步進(jìn)起動(dòng)時(shí)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(shí)間按一定規(guī)律遞減,以達(dá)到提速的目的。步進(jìn)起動(dòng)結(jié)束后進(jìn)行自由切換,保證換相的正確性,同時(shí),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(dòng)過程,這樣就避免了電機(jī)在起動(dòng)初期會(huì)產(chǎn)生大電流,減少了對(duì)主電路的沖擊,延長(zhǎng)了功率管的壽命。 4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)硬件電路由主電路、驅(qū)動(dòng)電路、過零點(diǎn)檢測(cè)電路、采樣電路、各種保護(hù)電路組成。過零點(diǎn)檢測(cè)電路檢測(cè)到過零信號(hào),并把過零信號(hào)送到JK3單片機(jī)的捕捉口,JK3單片機(jī)接收到過零信號(hào),由軟件計(jì)算出延遲時(shí)間,并在延遲時(shí)間到后發(fā)出換相脈沖信號(hào),經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)信號(hào)去驅(qū)動(dòng)各功率管,這樣就實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)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(jì),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(shí)現(xiàn)了無刷電機(jī)的步進(jìn)起動(dòng),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(shì)過零點(diǎn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明,換相時(shí)刻的準(zhǔn)確性和相位跟蹤的快速性對(duì)電機(jī)控制的性能影響極大,電子開關(guān)的準(zhǔn)確換相點(diǎn)每次都在該相不激勵(lì)繞組的反電勢(shì)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(shí)間,只能根據(jù)前若干個(gè)換相周期的變化趨勢(shì),對(duì)該次換相時(shí)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(shí)測(cè)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(diǎn)準(zhǔn)確,從而驗(yàn)證了對(duì)整個(gè)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(yàn)證。系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流正常,步進(jìn)起動(dòng)結(jié)束后加速平穩(wěn)。