3相永磁无刷直流电机(PM BLDC)电机低功耗的驱动

摘要：本文介绍了用模拟和硬件来实现3相永磁无刷直流电机（PM BLDC）电机低功耗的驱动。

此驱动器系统，是由脉冲宽度调制（PWM）控制的一个120度的六个梯形永磁无刷直流电动机驱动。

处理器使用的是常见的PIC16F877，它不仅能够闪存，而且成本很低。

最重要的是它能够实现和微控制器单元（MCU）的序列换向，旋转方向的控制，速度控制和阅读馆传感器的信号的功能。

为了方便低速，高速之间的控制，系统采用了感应式的控制技术。

本文还介绍了Proteus VSM（虚拟系统建模）软件作为实时仿真功能建模，模拟永磁无刷直流电动机驱动器，然后硬件实施。

先通过预期的结果监测和分析整个虚拟模拟所使用的的所有组件，再用已经证实的实验结果与模拟电路和结果进行对比。

使用Proteus VSM可以缩短产品开发时间，从而降低了工业应用程序的开发成本。

关键词：无刷直流电动机，PWM，PIC16F877，Proteus VSM的，永久磁铁。

一引言永磁同步梯形反电动势机器被称为永磁无刷直流电机。

在结构上，PM BLDC电机是一种（电枢在定子中，永久磁铁在转子中）由内而外的直流电动机。

该电动机的驱动系统包括四个主要部分：一个功率转换器，一个永磁同步机（PMSM）传感器控制算法，一个将直流电源转化为合适的交流驱动电源的三相你变转换器。

因此，它将电能转换成机械能。

其中无刷直流驱动的功能是检测转子的位置，它可以由两个流行的方法来实现：有传感器法和无传感器法。

最简单的方法是通过一个位置传感器得知瞬时整流绕阻电流。

图1展示的是传感器控制的永磁无刷电动机驱动系统。

在无传感器法中，虽然不需要任何位置传感器，但需要一个有大容量程序代码和大容量内存的性能要求较高的处理器。

该方法的明显好处是无传感器，降低了材料成本。

但节约了成本也优缺点，表现如下：该系统基于反电动势的检测，电动机必须在最低限速以上运行才能产生足够的的反电动势。

原因很简单，该程序不适用于低速。

电机负载的突然变化可能会导致反电动势驱动器环路自锁。

根据一些特征，PM电机可以进行分类。

这些特征包括永久磁铁（铁氧体，陶瓷，磁钢或罕见的土），PM的位置，形状的反电动势波形等。

例如，基于反电动势（梯形或正弦）的分类如图2所示。

图2 （a）基于反电动势的梯形波形。

（b）基于反电动势的正弦波形。

对于梯形型，其电枢阶段准方电流必须提供无纹波扭矩操作，同样的道理正弦型需要正弦相位的电枢电流。

高分辨率位置传感器使用时需要正弦反电动势的类型，就像通过知道转子的位置，确定每一个瞬间最佳的操作时间，这会导致硬件和软件设计起来更复杂。

就这个原因，梯形型是更有吸引力的选择，因为其简单，价格较低但效率更高。

用电源逆变器向电源提供三相交流信号到。

该逆变器可一般分为单相逆变器和三相逆变器和使用开关元件的单相，三相逆变器，开关元件有很多种，如BJT，MOSFET，IGBT，MCT和GTO。

对于三相逆变器，两种类型控制信号可以被应用到开关设备：180度导通或120度传导。

本项目采用120度传导的每个晶体管（Q1到Q6）接通为120度，如图3所示。

图3 门相为120度的信号传导在任何时刻，两个电源开关状态为开。

因此，在任何时间间隔内，两个加载端子（Y形连接）被连接到直流供应电源，第三端是开放的。

在这种传导型，将每个功率晶体管120度开启，并会产生准方波电压Van，Vbn和Vcn（图3）。

在传感器控制技术方面，共同使用的传感器是霍尔效应传感器，这是低分辨率传感器，适用于梯形类型。

作为反馈MCU的三个霍尔传感器彼此之间120度出相。

这些传感器将通过磁极的极性提供高或低的输出信号，这表明附近有S极或N极。

每60度，用其中的一个的霍尔传感器过渡，如图4所示。

来自霍尔传感器的信号将被馈送到MCU，以执行电子换向基于内存的序列模式。

该换向机构示于图4。

每个霍尔传感器进行180 度至120度，第二霍尔传感器后开始导通。

通过参照该图中，为了获得恒定的输出扭矩和恒定输出功率，电流通过驱动马达定子卷绕过程中，反电动势是平坦部分波形。

图4霍尔传感器之间反电动势和参考电流之间的关系二六步梯形控制的BLDC高效率变速和可变转矩电机控制，只能通过使用电子元器件和MCU。

因此PM BLDC 电机被视为一个强有力的候选连同它的电机驱动应用比其他电动机廉价的优点。

由PM BLDC电机驱动，怎样使控制方法简单化来弥补其高成本的缺点，已经成为行业主要关注的问题。

出于控制简单的原因，120度的六步控制方法已经非常流行。

在这种控制类型，定子电流的导通，使得仅发生两个阶段的星形连接绕组连接在DC总线和第三绕组的串联打开。

对于可变速度控制的应用，它是适合使用的开环电压模式脉冲全桥逆变器的脉宽调制（PWM）[12]。

调速是通过交替在PWM的占空比，这使得速度控制是非常简单和高效。

占空比可以介于0％至100％用作实现最大转子速度。

在逆变侧，只有两台交换机ON时，在任一时刻的时间内，一台在高侧，另一台在低侧。

在每个60度间隔，将只需要一个阶段到有电流+ I（由+表示，其他的显示为- ），而第三至有一个零电流（打开）。

这些电流满足基尔霍夫电流在星形连接的三相绕组法。

三VSM的变形仿真传统的嵌入式设计行业设立用于实验设备测试程序的快闪记忆体MCU与源代码，调试它，把它设置成可编程开发板，把它旨在测试电路并运行它。

如果发生任何错误，这个过程将反复进行，直到达到设计目标。

这不仅仅MCU本身，同时也为外部电路建立在PCB上。

传统的开发步骤是在图5所示。

这是不可能的设计师完整的设计开发和测试前物理原型的建设[。

为了缩短设计周期，降低成本和风险，BLDC电机系统可以先使用建模和仿真技术，建立其模型。

用这种方式，有效地保存了很多实际的设计时间。

到目前为止，许多研究BLDC 电机驱动只使用Matlab的Simulink仿真平台。

这个强大的软件提供了良好的仿真结果驱动模型，但是当涉及到硬件实现和硬件分析，它就不能模拟的BLDC电机驱动器基于真正的组件的性能和操作。

在研究环境中，低成本还应该包括降低研发成本。

由于在大多数时间内没有任何方法来测试组件的状态和性能，明显需要很长一段时间来进行台柱试验。

对于一个应用程序，它需要一段时间来测试3或4个组件，甚至更多，来实现设计目标。

最坏的情况下，设计师一遍又一遍，需要修改设计失败的PCB电路，从而导致浪费时间和设计成本增加。

在的廉价的工业应用，这些仍然是主要的的因素。

出于这个原因，在开始建设硬件电路之前，本文引入使用的Proteus VSM软件模拟所需的必要组件来完成完整的BLDC电机驱动。

图6显示了Proteus VSM的开发步骤。

用这个软件可能“第一时间”成功实现工作使用的硬件原型。

该软件提供的虚拟编程和单片机调试瞬态分析能力让设计师工作更容易，尤其是当它涉及到MCU circuitbased的设计。

从瞬态分析，最重要的部分是它的源代码编程使MCU正常工作。

Proteus VSM的是一个完全独特的电子软件，它提供了能够使编译器或汇编运行的模拟高低级别的微控制器代码。

同样的原理大规模的组件存储在库中，使其便于设计测试许多合适的元件相同。

它是目前国内唯一的提供全方位的微控制器模型。

基本上有三个主要阶段测试MCU：1建立正确的外部示意图电路连接到MCU；2写程序的源代码，并建立（组装）；3将生成代码MCU并运行模拟；文本编辑器的源代码可以写在记事本上，然后作为源代码的MCU将其保存为asm文件。

它可以是编辑使用的源代码编辑器。

通过使用添加/删除源代码文件对话功能，可以浏览并连接到源代码MCU。

MCU将作为其霍尔传感器信号输入产生六步换相序列并产生六个输出端口RC0 RC5。

完整的电路模拟使用虚拟组件。

PROTEUS VSM提供BLDC电机模型中，电机操作可以被看作热烈运行时的模拟。

四模拟结果从瞬态分析图中得到仿真的结果。

通过使用此功能，模拟和数字数据可以在同一时间被检测。

图6示出了霍尔传感器的信号与单片机输出。

有3个PWM信号由单片机产生传到高桥逆变器。

的最重要的输出是分析相电流示于图7，它表示了三相电枢电流。

该电流标记为红色，黄色和蓝色颜色。

图8示出了驱动器的端子电压通过使用数字示波器监视的系统。

该黄色波形是终端电压A相，蓝色波形B相和红色波形C相如图所示，电流波形都被单独体现在图9。

从图中，清楚地看到，目前顺序进行执行的六个换向步骤。

这些结果证明，该内置在Proteus VSM电路进行电的流随意衰减。

所有的电子在该仿真中使用的组件，现在可以转换成硬件建设。

五硬件建设这个阶段是至关重要的，来验证Proteus VSM的模拟。

驱动程序电路由MCU模块，三相逆变器和过流，过热过电压保护电路组成。

这种保护电路将不会在这里讨论。

所有使用的组件是完全一样的相同模拟仿真软件。

由于这个项目引进的Proteus VSM为一体的仿真软件，BLDC电机驱动应用程序的平台，恰巧到了使用这个软件，调试MPLAB IDE程序。

它允许插件在MPLAB IDE的调试器上。

PROTEUS VSMMPLAB观众，捕获Microchip的嵌入式软件开发。

由选择Proteus VSM的调试工具，只是在软件调试模式，现在可以做无ICD2（在线调试器）或发展板。

图10显示了MPLAB IDE窗口由模拟电路，软件调试和输出波形。

通过使用变形VSM为因灾调试，开发板的硬件被排除，从而设计，修改测试的源代码会更容易。

图10Proteus VSM的调试工具MPLAB IDE硬件结果通过泰克TDS3014B四个通道的颜色示波器和Fluke43B电能质量分析仪收集。

示波器是用来查看PWM霍尔传感器信号，而电能质量分析仪用于查看电压和电流端子之间的关系。

图11和图12结果示于端电压和电流的永磁无刷直流电动机驱动器在不同的PWM 占空比周期。

这些电流和电压的结果是非常重要的，因为他们提供了验证设计PMBLDC电机驱动理论和Proteus VSM的使用是否非常可靠。

数据采取了改变占空比的空载和负载条件下的PWM。

它可以是认为被施加到马达的负载扭矩轴，相电流增强了。

这是由于电流与转矩之间的关系成正比。

此外，电流值更大，可见的电流换向波形越明显。

图11 端子的电压和相电流在90％以上的PWM占空比图12 端子的电压和相电流100％的PWM占空比总之，BLDC电机驱动在模拟和模型开发硬件实现的低功耗应用。

本研究调查马达驱动器120度六步换相开关技术的性能。

的控制方法是一种低分辨率传感器等传感器类型霍尔传感器的使用。

用PIC16F877，一个低成本微控制器作为主控制器，其成本低廉，该产品应具有在小功率应用中的商业号召力。

本文引入显示其生产的能力和实用性之前构建的硬件虚拟模型电路。