應用于光伏水泵系統中的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機的控制

發(fā)布時(shí)間:2010-12-4 16:52    發(fā)布者:designer
關(guān)鍵詞: 傳感器 , 水泵 , 直流電機
介紹了應用于光伏水泵系統中的直流無(wú)刷電機及其控制方法,利用定子繞組反電勢信號,用Motorola公司的MC68HC908JK3ECP單片機實(shí)現了對直流無(wú)刷電機的控制。實(shí)驗證明,過(guò)零點(diǎn)識別電路簡(jiǎn)單有效,三段式起動(dòng)適用于光伏水泵系統。

近年來(lái),隨著(zhù)電力電子器件及控制理論的迅速發(fā)展,永磁直流無(wú)刷電機以其高效性,良好的調速性,易于維護性而得到了廣泛的應用。傳統的永磁直流無(wú)刷電機往往采用位置傳感器來(lái)確定轉子的位置,這不僅增大了電機的安裝體積,增加了成本,而且降低了電機的可靠性。目前,無(wú)傳感器直流無(wú)刷電機一般采用三段式起動(dòng)方式,起動(dòng)轉矩在開(kāi)始起動(dòng)時(shí)比較小,并且有脈動(dòng),對于有起動(dòng)轉矩要求的系統存在著(zhù)局限性,而在中小型太陽(yáng)能光伏水泵系統中,負載轉矩是隨著(zhù)轉速的增加而增加的,不計摩擦力,在靜止時(shí)負載轉矩為零,所以,直流無(wú)刷電機可以應用于光伏水泵系統,并且整個(gè)系統是直流的,無(wú)須逆變,那么,在光伏水泵系統中應用直流無(wú)刷電機,對于提高系統效率,簡(jiǎn)化系統裝置就具有重大的意義。  

1 光伏水泵系統簡(jiǎn)介  

光伏水泵系統由光伏陣列,控制器,電機,水泵4部分組成。光伏陣列由許多太陽(yáng)電池串并聯(lián)構成,直接把太陽(yáng)能轉化為直流電能。目前所用的太陽(yáng)電池都為硅太陽(yáng)電池,包括單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽(yáng)電池。由于光伏陣列的輸出伏-安特性曲線(xiàn)具有強烈的非線(xiàn)性,而且和太陽(yáng)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工作在比較理想的工況,就需要用控制器去調節、控制整個(gè)系統。電機是用來(lái)驅動(dòng)水泵的,由于電機的功率因數及電壓等級在很大程度上受到太陽(yáng)電池陣列的電壓等級和功率等級的制約,因此,對水泵揚程、流量的要求被反映到電機上,往往在兼顧陣列結構的條件下專(zhuān)門(mén)進(jìn)行設計。對于要求流量小、揚程高的用戶(hù),宜選用容積式水泵;對于需要流量較大,但揚程卻較低的用戶(hù),一般宜采用自吸式水泵。




2 單片機M68HC908JK3ECP介紹  

這是Motorola公司的8位單片機家族中的成員之一,同樣具有高性能,低成本的優(yōu)點(diǎn)。它內嵌4k閃速存儲器FLASH,128字節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,輸出比較及脈寬調制等功能,能滿(mǎn)足系統要求。  

3 無(wú)傳感器直流無(wú)刷電機控制原理  

無(wú)刷電機的定子為三相對稱(chēng)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Fa;轉子為永磁材料,產(chǎn)生磁勢Ff,通過(guò)兩者的相互作用,可以產(chǎn)生電磁轉矩T=FaFf|sinθ|,顯然,當θ=60%26;#176;~120%26;#176;時(shí),平均電磁轉矩最大。故檢測轉子磁勢位置時(shí),當定轉子磁勢夾角為60%26;#176;時(shí),三相繞組中的某兩相導通,轉過(guò)60%26;#176;時(shí),其中一相的功率管關(guān)斷,另一相中的功率管導通。這樣,保證定轉子磁勢夾角為60%26;#176;~120%26;#176;,達到轉矩最大的目的。由于每次轉過(guò)60%26;#176;只關(guān)斷一個(gè)功率管,故每個(gè)功率管導通角度為120%26;#176;,這種方式為120%26;#176;導通方式。  

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(guò)零點(diǎn)前后30%26;#176;區域)下,繞組感應反電勢按正弦規律變化,平頂部分為繞組通電激勵時(shí)逆變換相主電路電壓鉗位引起的。換相點(diǎn)發(fā)生在過(guò)零點(diǎn)后30%26;#176;,使用反電勢法來(lái)實(shí)現電子換相,就是在過(guò)零點(diǎn)檢測電路檢測到過(guò)零點(diǎn)后30%26;#176;進(jìn)行換相。三相6拍工作方式下,導通次序為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(xiàn)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(wèn)題,特別是在PWM調制情況下,測量時(shí)必須采取專(zhuān)門(mén)措施避開(kāi)或抑制干擾,增加了控制電路的復雜性,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(wèn)題,并且在PWM調制情況下,其開(kāi)關(guān)噪聲不會(huì )影響相繞組的過(guò)零測量,檢測電路也較簡(jiǎn)單。




在靜止或低速狀態(tài)下反電勢值為0或很小,無(wú)法用反電勢法來(lái)判定轉子的位置,通常采用三段式起動(dòng)方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,即先按他控式同步電機的運行狀態(tài)從靜止開(kāi)始加速,當達到一定的轉速時(shí)再切換到反電勢法控制狀態(tài),包括轉子定位,步進(jìn)起動(dòng)和自由切換三個(gè)階段。轉子定位時(shí)首先導通兩個(gè)功率管,一般來(lái)說(shuō)先導通S6及S1,一定時(shí)間后就完成轉子的初始定位。步進(jìn)起動(dòng)時(shí)從初始位置開(kāi)始,按前面的導通次序依次導通各功率管,但導通時(shí)間按一定規律遞減,以達到提速的目的。步進(jìn)起動(dòng)結束后進(jìn)行自由切換,保證換相的正確性,同時(shí),PWM斬波使直流側電壓逐漸加到主電路上,使無(wú)刷電機的轉速按控制要求加速,相當于電機轉速的軟起動(dòng)過(guò)程,這樣就避免了電機在起動(dòng)初期會(huì )產(chǎn)生大電流,減少了對主電路的沖擊,延長(cháng)了功率管的壽命。  

4 系統實(shí)現  

系統硬件電路由主電路、驅動(dòng)電路、過(guò)零點(diǎn)檢測電路、采樣電路、各種保護電路組成。過(guò)零點(diǎn)檢測電路檢測到過(guò)零信號,并把過(guò)零信號送到JK3單片機的捕捉口,JK3單片機接收到過(guò)零信號,由軟件計算出延遲時(shí)間,并在延遲時(shí)間到后發(fā)出換相脈沖信號,經(jīng)驅動(dòng)電路轉換為驅動(dòng)信號去驅動(dòng)各功率管,這樣就實(shí)現了單片機對直流無(wú)刷電機的控制。保護電路主要有過(guò)電壓充電保護,低水位保護。  

系統軟件采用模塊化設計,包括初始化模塊,PWM中斷模塊,捕捉中斷模塊,采樣保護模塊。PWM中斷模塊實(shí)現了無(wú)刷電機的步進(jìn)起動(dòng),自由切換運行。PWM中斷模塊的流程圖如圖3所示。




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(guò)零點(diǎn)的捕捉及換相周期的確定;采樣保護模塊主要用來(lái)采集直流側電壓和電流,以及判定和處理故障。實(shí)驗數據證明,換相時(shí)刻的準確性和相位跟蹤的快速性對電機控制的性能影響極大,電子開(kāi)關(guān)的準確換相點(diǎn)每次都在該相不激勵繞組的反電勢過(guò)零后30%26;#176;的電角度位置,由于電機的運行是變速運行,換相周期是變化的,所以并不能準確確定延遲30%26;#176;電角度的換相時(shí)間,只能根據前若干個(gè)換相周期的變化趨勢,對該次換相時(shí)刻進(jìn)行合理有效的濾波和預估,有數字濾波和鎖相跟蹤兩種方式。  

圖4為系統正常運行時(shí)測得的線(xiàn)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(shuō)明換相點(diǎn)準確,從而驗證了對整個(gè)系統控制思想是正確的。  

5 結語(yǔ)  

上述思想已經(jīng)在500W太陽(yáng)能光伏水泵系統中得到驗證。系統起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流正常,步進(jìn)起動(dòng)結束后加速平穩。
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