永磁无刷DC电机是典型的机电一体化电机，既具有普通DC电机调试性能好、调速范围宽、调速方式简单的特点，又具有功率因数高、转动惯量小、运行效率高的优点。特别是由于没有机械换向器和电刷，大大降低了换向火花、机械磨损和机械噪声，使其在中小功率范围内的应用更加广泛，是电机的主要发展方向之一。
永磁DC无刷电机的控制模式可以分为两类：位置传感器控制模式和无位置传感器控制模式。典型的位置传感器控制模式是霍尔传感器控制模式。无传感器控制方法是目前广泛应用的一种新型控制方法，包括反电势控制方法、磁链计算方法、状态观测器方法和人工神经网络(ANN)控制方法。反电动势控制方式对于电流通过时驱动桥和电机的保护非常重要，也对软件出错时负载的保护提出了更高的要求。本文采用反电势控制方法，以无刷DC稀土电机为研究对象，设计了两个电流保护模块和一个数字逻辑保护电路，提高了系统的安全性，具有重要的研究意义。
1控制系统的总体设计
该系统是一个典型的闭环调速系统，采用PWM反馈控制方式，创新性地增加了一个逻辑保护电路和两个电流保护电路。控制系统的总体设计框图如图1所示。将转速的参考值n0与实际转速的反馈值N进行比较，得到的偏差送入转速控制器，经过相应的计算后，将控制信号输出到PWM控制器，PWM控制器产生三相桥式试验逆变器主开关的控制信号。然后，主开关完成永磁无刷DC电机定子电流的通断，产生旋转定子电枢的合成磁势，驱动永磁转子旋转，从而实现永磁无刷DC电机的自同步控制。
研究对象永磁DC无刷稀土电机在转子铁芯表面贴磁铁，形成所谓的隐极转子结构。定子三相对称绕组采用全距离、集中绕组，无中性线。根据电机原理，反电动势的波形为梯形波，电机中的A、B、C三相对称，其反电动势在相位上只滞后120度。考虑到定子各相绕组的反电动势与转子的角速度成正比，因此关系如图2所示。
由此反电动势法控制规律的重要结论是：通过测量反电动势得到的转子位置信号不是反电动势的测量值，而是反电动势的过零信号。当反电动势过零时，转子电流的下一次换向时间将延迟30度。但是反电动势不能直接测量，可以通过测量电机端电压间接获得。
2系统硬件设计
系统的硬件电路设计分为三部分：驱动逆变电路、转子位置检测电路和电路保护模块。逆变电路由驱动芯片和驱动轴电路两部分组成。驱动芯片为IR2130，是一款专用的三相桥式电路驱动芯片。它可以直接驱动中小容量的MOSFET、IGBT、MCT等。它只需要一个电源，工作频率从几十赫兹到几百赫兹不等。内部还配有过流和欠压保护，使驱动功率管时更加安全可靠。
驱动桥电路常见的方案有三相半桥驱动、电容储能驱动和三相全桥驱动。三相全桥驱动由六个功率管组成三相六臂全控桥。虽然增加了功率开关管的数量，但增加了转矩输出，转矩波动比三相半桥驱动小，复杂度和可靠性比电容储能驱动好，起动特性和低速稳定性好。因此，本系统采用该方案。如图3，是驱动芯片和驱动桥电路的硬件电路设计(上下桥臂只接一相)。
转子位置检测电路用于测量电机反电动势的过零信息，从而获得转子位置，通过检测电机端电压来实现。电路设计如图4所示。
电机端电压检测分为A、B、C三相，现在以A相为例，先将通过与非门输入到IR2130的B、C相驱动控制信号PWM B、PWM C反相，得到B、C相上桥臂PWM驱动信号phase的波形，再与单片机输出控制端口信号Ctr_A进行相位调整。当单片机的输出控制端口为L时，D触发器的时钟端为B、C PWM驱动波形相位的信号；当单片机的输出端口为0时，D触发器的时钟端处于低电平，D触发器的输出被阻断，使得D触发器的输出保持不变。因此，通过编写软件控制单片机的输出端口，每种状态下只开启一个D触发器，在续流阶段D触发器的输出被阻断，可以大大避免反电动势的假过零点对零点信息测量的影响。
电流保护电路包括两部分。第一部分如图3所示。
R7、R8和R9用于将驱动桥的电压信号采集到IR2130中。一旦外部电路过流或导通，IR2130内部的电流比较器迅速翻转，故障处理单元输出低电平，阻塞驱动输出端口。同时，引脚故障向单片机发出报警信号，从而完成第一部分电流保护功能，并通过软件设计实现具体的功能响应。电流保护的第二部分主要针对驱动桥，电路设计如图5所示。
保护电路通过Rll中的R10将驱动桥下桥臂的电压采集到LM393的正输入端，可与预置的Verf进行比较。当驱动轴电流过大时，LM393输出高电平，使Q1、Q2和Q3都导通，从而降低下桥臂MOS管的栅源电压，达到保护MOS管的目的。
三相全桥的驱动控制由单片机通过PWM方式实现。软件运行不正确时，同一桥臂的上下MOS管可能同时导通，会造成短路，容易烧坏MOS管。因此，设计了逻辑保护电路模块来防止同一桥臂的上下MOS晶体管同时导通。逻辑保护电路的输入和输出之间的逻辑关系如表1所示。
表1输入和输出之间的逻辑关系
通过表1中的逻辑关系，同一支路的上下支路的输入信号是互锁的，因此不会发生同时导通。硬件的连接是由表L中的逻辑关系决定的，可以用与非门电路来构建，这里就不赘述了。
3系统软件设计
MCU的输出控制信号控制三相全桥驱动逆变电路，在软件实现中可以采用不同的控制规律。常用的控制方式有：三三导通控制方式、二三匝导通控制方式、1200导通控制方式。它们在控制性能上差别不大。本系统采用1200导通控制方式，控制规律为：(1)每600换向；(2)在任何时候只有两个开关器件接通；(3)根据硬件电路设计和1200导通控制规则，桥臂与MOS管的对应关系为：上桥臂
采用反电势法控制DC无刷稀土电机。启动时，由于电机转速很小，无法获得反电动势，所以电机启动的顺利完成必须通过软件编程来实现。常见的启动方式有：外部同步驱动启动方式和预设启动方式。外部同步驱动是指通过变频同步拖动电机转子旋转。这种起动方式的缺点是转子旋转方向未知，转子可能顺时针旋转，也可能逆时针旋转。另外，如果频率上升过快，电机容易失步。预定位方式起动是在起动开始时给电机一定的通电状态，从而对转子进行定位。然后改变电机的通电状态，使转子在电磁转矩的作用下向某一方向旋转，在旋转过程中将电机切换到无刷电机运行模式。这样，一方面绕组中存在一定量级的反电动势信号，另一方面电动势的相序是固定的而不是随机的，从而保证电机有明确的转向，实现电机的平滑起动。
4摘要
采用上述设计的控制方案对DC无刷稀土电机进行控制，实现了反电动势法无传感器控制模式。同时采用两个电流保护模块，一个用于硬件保护，一个用于软件保护，使电机在外部电路发生过流和馈通时，能更好地保护整个控制系统的安全运行。与仅采用硬件保护电路或软件保护的反电动势控制方法相比，更加灵活和安全。此外，还特别加入了逻辑保护电路模块，在软件出现问题时保护驱动电路和电机的安全。整个系统的分析和设计还有改进的空间。希望其他读者可以从以下几个方面改进。
(1)较好地解决了反电动势的假过零问题。
(2)需要研究更快更好的启动方法。
