机电设备的无线管控装置

　　无刷直流电机既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具有直流电
机运行效率高、无励磁损耗、调速性能好的特性，因此在各行业中的应用日益广泛。无刷直
流电机是一种特殊的永磁同步电机，传统的无刷直流电机大多数采用位置传感器确定转
子位置，并据此控制驱动电路换相。由于位置传感器的存在，增加了电机体积和成本，降
低了电机可靠性，限制了某些场合的应用。本文给出一种基于反电动势过零点检测法控制
无刷直流电机的实现方法，该方法所需硬件简单，软件功能强大。
　　2 无刷直流电机的结构无刷直流电机由电机本体、转子位置检测电路以及电子开关电
路 3 部分组成。其示意所示。
　　电子开关电路主要作用是控制电机本体定子各相绕组的通电顺序和时间，主要由功
率管、驱动电路以及转子位置信号处理模块构成。转子位置检测电路主要作用是实时检测
转子位置，为换相提供依据。电机本体由定子线圈绕组与永磁转子构成。电机本体结构如
所示。
　　3 无刷直流电机工作原理有刷直流电机通过电刷实现转子绕组的换相，产生旋转磁
场，且定子磁场与转子磁场方向垂直，从而使转子旋转。无刷直流电机工作过程与此类似，
不同之处在于通过电子开关电路控制定子换相，使定子绕组产生旋转磁场，使得永磁转
子旋转。
　　由此可见，无刷直流电机中，转子位置非常重要，否则不能准确控制换相时间，导
致电机不能输出最大转矩，甚至不能运转。
　　4 反电动势过零点检测法要实现无位置传感器无刷直流电机的控制，关键问题是如
何获得转子的位置信息。由于永磁转子旋转产生旋转的磁场，定子绕组切割该磁场，感应
出电动势，该电动势就是反电动势。反电动势过零点检测法是一种常用的方法，由无刷直
流电机结构可知，反电动势过零点与转子位置有对应关系，通过对定子绕组上反电动势
的检测得到过零点，就可以得到转子位置信息，由此控制换相。
　　以三相 Y 型连接，两两导通为例说明反电动势与换相的关系以及反电动势检测方法。
电机主回路电路如所示。转子以 ω 角速度运转时，各相产生的反电动势波形如所示，E 
a、E b、E c 分别为 a、b、c 相的反电动势。当某一相的反电动势出现过零点后，再延迟 30°电
角度就是换相时刻。因此只要能检测到反电动势的过零点，根据当时的转速，延时转子转
过 30°的时间，控制 Q1 至 Q6 的通断，就可实现换相。
　　实际中，电机反电动势不能直接检测，只能间接获取。由电机三相端电压平衡方程可
以推导出在反电动势过零点附近有：其中，U a、U b、U c 为 a、b、c 相的端电压。
　　通过检测相电压，再根据式（1）、（2）、（3）很容易得到反电动势过零点，再延时
30°电角度换相，就可以使励磁与转子同步。
　　5 系统硬件设计采用微控制器实现无刷直流电机的控制。微控制器具有 6 路 10 位 A／
D、专门针对电机设计的 6 路 PWM 模块、5 路 16 位定时器、24KBFlash 程序存储器以及
1KB。其硬件电路图所示。用 AN2、AN3、AN4 实现电机端电压检测，得到反电动势过零点。
采用 PWM 模块控制 6 个 MOS－FET 通断，就可实现换相，采用不同的占空比就可实现
对电机调速。
　　通过对阻值为 0.1Ω 的电阻端电压的检测获取过流、过载信息，根据电机的实际情况
调整放大倍数和比较器的参考电压。因电机反电动势通常比 5V 高，故必须通过电阻分压
后才能进行 A／D 转换，分压电阻根据电机母线电压不同取不同值，只要能保证分压后
的电压在微控制器的允许范围内即可。
　　3 相逆变桥由 6 个 MOSFET 构成，本系统设计采用 IR2407，它可承受 600V 电压，电