作者：孫佃升1，夏需強2，呂秀傑2

摘 要：叙述了低速永磁無刷直流電機控制系統的軟硬件設計，并在此基礎上給出了控制低速永磁無刷直流電機運行的程序總框圖。實驗表明，此系統能夠很好地實現無刷直流電機的運行控制。

目前，杆驅螺杆泵式抽油機普遍應用于油田生産中。由于螺杆泵式抽油機要求驅動電機提供的驅動力矩大、轉速慢、運行平穩。采用異步電機通過減速機構來驅動螺杆泵，往往存在效率低下、噪音、振動等問題，而無刷直流電機具有效率高、轉矩大、低速運行平穩等優點，因此适合用做螺杆泵式抽油的驅動電機。而且，專門制造的低速無刷直流電機可實現對螺杆泵式抽油機的直接驅動，既簡化了系統的傳動機構，又避免了使用減速器帶來的一系列問題。另外，由于無刷直流電機運行中需要檢測的狀态量較多，控制較為複雜，采用單片機進行數據處理與控制已經明顯力不從心。近年來，國外許多公司紛紛推出高性能的數字信号處理器（DSP），比如TI公司的TMS320C24以及Motorola公司的DSP56F8xx系列，用來控制無刷直流電機的運行非常方便。采用數字信号處理器的電機控制系統，數據處理能力強，運行速度快，精度高，正處在普遍開發和應用中。

1 硬件設計

控制系統采用交流380 V整流獲得的直流電作為供電電源，使用三相橋式逆變電路作為功率主電路，控制單元采用Motorola公司的DSP56F803。

本控制系統的硬件部分主要由蓄電池及逆變電路、開關管驅動和保護電路、電源電路、系統控制單元及其外圍電路、電流及電壓信号檢測電路等幾部分組成。圖1所示是硬件系統的示意圖。圖中粗箭頭表示能量傳送方向，細箭頭表示控制或檢測信号的傳送方向。系統運行後，控制單元根據預先設定的控制指令以及檢測到的有關信号發出開關管驅動信号控制無刷直流電機的運行。

圖2所示為功率逆變電路以及無刷直流電機的電路連接圖。電樞繞組為三相繞組，Y接。功率逆變電路采用電壓型三相全橋逆變電路。實驗所用的無刷直流電機為額定功率2.2 kW，額定電壓300 V，電樞繞組Y接；開關管選用富士公司的IGBT，型号為1MBH60-100，額定電流60 A，額定電壓1 000 V；IGBT的驅動保護模塊采用了VLA517-01R。

圖3所示為控制單元各模塊承擔的功能示意圖。

鍵盤接口負責接收控制指令，産生鍵盤中斷或改變電機的運行狀态。AD轉換模塊實時檢測相電流、轉速給定、相電壓等信号。電機的位置檢測采用電機内置的霍爾位置傳感器，輸出3路位置信号（矩形波）。根據電機當前轉子位置信号決定IGBT的導通次序，輸出IGBT的開關信号。同時，将檢測到的轉速和相電流信号輸入DSP，根據控制算法決定PWM信号的占空比。PWM信号的占空比決定電機的速度控制，它和IGBT的開關信号、故障中斷産生的封鎖信号一起作為邏輯綜合電路的輸入。邏輯綜合電路的輸出作為IGBT驅動電路的輸入信号。

其他功能的硬件電路比如電壓和電流采集等電路的設計較為常見。

2 電動運行原理

電動運行時，相電流的導通方式采用120°導通方式，即每個功率管導通時間均為120°電角度。調速采用的PWM調制方式為半橋調制，即PWM隻對導通周期内一對元件中的一個起作用。功率管的開關狀态取決于位置傳感器提供的HALL信号。表1所示為測試得出的電機正向和反向電動運行時，霍爾位置傳感器的HALL狀态與開通功率管的對應關系。

圖4(a)所示為半橋調制時相電流與反電勢的對應關系。以T1和T6導通的60°時間為例，這時eA、eB、eC的波形如圖4(b)所示的t1～t3。圖5所示為半橋調制下開關管導通和關斷時的繞組電流情況。

3 軟件設計

本設計的控制單元采用Motorola公司的DSP56F803芯片，采用C語言和彙編語言混合編程，實行模塊化設計。圖6所示為系統軟件設計結構框圖，從圖中可以看到程序的五大模塊以及各模塊間子程序的相互調用關系。

為保證電機平穩運行，必須保證換相平穩，即電機在換相時不發生抖動，盡量減小轉矩脈動。由于電機換相信号頻率較高、信号傳輸線需由電機引向控制器，往往較長，電機現場運行環境中的電磁因素極易對換相信号造成幹擾，使換相信号畸變、紊亂。這就需要對換相信号線進行相應防幹擾和濾波處理，比如通過使電機換相信号的輸出與控制器之間的信号線盡量短，信号線采用絞合線以及采用外皮屏蔽式信号線等辦法。程序上也可以對換相信号做幹擾過濾處理，即根據電機的轉速估算正常換相的位置信号出現的大體時間段，将該時間段外的幹擾信号屏蔽，這樣，即使轉子在換相點附近幹擾信号，仍能正常換相。系統采用轉速、電流雙閉環控制，兩調節器均采用PID調節器，控制系統如圖7所示。

4 實驗結果與結論

圖8所示是實驗測得的無刷直流電機空載起動轉速變化曲線。可見轉速響應較快，超調較小，轉速波動小，具有良好的動靜态特性。圖9所示為本文設計的無刷直流電機控制器控制下的無刷直流電機的相電流和一相位置信号的波形，此波形較理想。總之，實驗結果表明，系統運行情況較好，具有一定應用價值。

參考文獻

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