0    引言

    近年來(lái),，隨著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(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(wú)刷電機(jī)往往采用位置傳感器來(lái)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(wú)傳感器直流無(wú)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(yáng)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(wú)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(wú)須逆變，那么,，在光伏水泵系統(tǒng)中應(yīng)用直流無(wú)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(yáng)電池串并聯(lián)構(gòu)成,，直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)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－安特性曲線具有強(qiáng)烈的非線性,，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(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(lái)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(yáng)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(wú)傳感器直流無(wú)刷電機(jī)控制原理

    無(wú)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)F_a,；轉(zhuǎn)子為永磁材料,，產(chǎn)生磁勢(shì)F_f，通過兩者的相互作用,，可以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T=F_aF_f|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(lái)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?；诜措妱?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(wú)法用反電勢(shì)法來(lái)判定轉(zhuǎn)子的位置，通常采用三段式起動(dòng)方式來(lái)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(lái)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(wú)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(wú)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(wú)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(lái)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(yǔ)

    上述思想已經(jīng)在500W太陽(yáng)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),。