無位置傳感器無刷直流電機(jī)閉環(huán)起動(dòng)方法

王強(qiáng)， 王友仁， 王嶺， 徐旭明

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 210016）

0 引言

無刷直流電機(jī)（brushless DC motor，BLDCM）具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、調(diào)速性能好、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于商業(yè)、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的無刷直流電機(jī)為了能正確換相，需要一套位置傳感器來獲得轉(zhuǎn)子相對定子的位置信息。但是，位置傳感器的存在不僅增加了電機(jī)的成本、體積而且限制了電機(jī)在高溫、高濕、強(qiáng)腐蝕性氣體等惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。針對該問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種無位置傳感器控制方法，主要有反電動(dòng)勢法［1］、磁鏈法［2］、電感法［3］及人工智能法［4－8］等。其中，反電動(dòng)勢法具有簡單、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，在工程上得到了廣泛應(yīng)用，但是當(dāng)電機(jī)靜止時(shí)反電動(dòng)勢為零，電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)，針對該問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種起動(dòng)方法。

文獻(xiàn)［9］分析了三段式起動(dòng)法，首先將電機(jī)轉(zhuǎn)子定位，然后在外同步狀態(tài)下加速電機(jī)，最后當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)切換到反電動(dòng)勢法運(yùn)行，該方法簡單易行，但起動(dòng)效果容易受負(fù)載的影響;文獻(xiàn)［10］提出了預(yù)定位起動(dòng)法，該方法起動(dòng)可靠，實(shí)現(xiàn)簡單，但是對切換時(shí)間要求比較嚴(yán)格，通常適用于空載起動(dòng);文獻(xiàn)［11］提出了升頻升壓同步起動(dòng)方法，對切換時(shí)間沒有嚴(yán)格要求，但是起動(dòng)電路增加了成本，并且電機(jī)參數(shù)改變后需要重新設(shè)計(jì)起動(dòng)電路;文獻(xiàn)［12－13］提出了線電壓差過零點(diǎn)時(shí)刻為反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，再延時(shí)30°電角度即為換相點(diǎn)。該方法提高了過零點(diǎn)的檢測精度，但是在加速過程中依據(jù)線電壓差過零點(diǎn)進(jìn)行換相，存在提前換相，因此在大負(fù)載情況下可能導(dǎo)致電機(jī)起動(dòng)失敗。為了消除傳統(tǒng)反電動(dòng)勢過零點(diǎn)超前換相點(diǎn)30°電角度而帶來轉(zhuǎn)子位置檢測不準(zhǔn)確問題，文獻(xiàn)［14－15］提出了線反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)即為換相點(diǎn)。文獻(xiàn)［14］中線反電動(dòng)勢的計(jì)算中需要知道相繞組的電阻，計(jì)算復(fù)雜;文獻(xiàn)［15］利用硬件檢測線反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，難以適用于低成本場合。

為了進(jìn)一步提高無位置傳感器無刷直流電機(jī)在變負(fù)載情況下的起動(dòng)性能，降低成本，便于工程應(yīng)用，本文提出了一種新穎的閉環(huán)起動(dòng)方法。加速過程中將非導(dǎo)通相端電壓與換相閾值相比較來確定換相點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)控制;離線狀態(tài)下根據(jù)霍爾信號確定固定母線電壓下的換相閾值，通過線性插值的方法獲得任意母線電壓下的換相閾值。

1 反電動(dòng)勢法原理及檢測方法

1.1 反電動(dòng)勢法原理

三相無刷直流電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。通常采用兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)的控制方式：每個(gè)工作狀態(tài)只有兩相導(dǎo)通，第三相懸空，用于反電動(dòng)勢檢測。圖1中：Ud為電源電壓;T1～T6為功率驅(qū)動(dòng)器件;N為電機(jī)中性點(diǎn)。

圖1 三相全橋式無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The diagram of three-phase full-bridge BLDCM drive circuit

為了能夠正確驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)，逆變器的開關(guān)管需要每60°電角度換相一次，一個(gè)周期內(nèi)換相6次，每個(gè)功率驅(qū)動(dòng)器件導(dǎo)通120°電角度。通過檢測非導(dǎo)通相繞組的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，再延時(shí)30°電角度，即為該相繞組的換相點(diǎn)。反電動(dòng)勢過零點(diǎn)與換相點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示，其中：Z表示反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，C表示換相點(diǎn)。

圖2 反電動(dòng)勢過零點(diǎn)與換相點(diǎn)關(guān)系圖Fig.2 The relation diagram between back EMF zero-crossing points and commutation points

1.2 直接反電動(dòng)勢檢測方法

本文采用上橋臂PWM調(diào)制，下橋臂恒通（HPWM－L－ON）的調(diào)制方式，以A、B兩相繞組導(dǎo)通，C相繞組懸空為例，此時(shí)三相繞組等效電路如圖3所示［16］。其中：UA、UB、UC分別為電機(jī)三相繞組的端電壓;eA、eB、eC分別為三相繞組的反電動(dòng)勢;LS、RS分為每相繞組等效電感和電阻;UN為電機(jī)中性點(diǎn)電壓。

圖3 無刷直流電機(jī)等效電路Fig.3 The equivalent circuit of BLDCM

由式（6）可看出：在PWM的ON期間，非導(dǎo)通相端電壓和二分之一電源電壓進(jìn)行比較的過零點(diǎn)即為反電動(dòng)勢的過零點(diǎn);通過檢測非導(dǎo)通相端電壓可以間接獲得反電動(dòng)勢。

端電壓檢測電路如圖4所示。R1～R6為分壓電阻，R1=R3=R5，R2=R4=R6。利用 MCU 內(nèi)部集成的ADC采集非導(dǎo)通相的端電壓。

圖4 非導(dǎo)通相端電壓檢測電路Fig.4 Circuit for detecting floating phase terminal voltages

2 電機(jī)加速過程中換相點(diǎn)估計(jì)

2.1 根據(jù)非導(dǎo)通相端電壓估計(jì)換相點(diǎn)

以A相為例，其端電壓在一個(gè)電周期內(nèi)的反電動(dòng)勢表達(dá)式為

式中：Ke為反電動(dòng)勢常數(shù);ω為轉(zhuǎn)子電角速度。可知轉(zhuǎn)子位置θ在換相點(diǎn)的反電動(dòng)勢為

因此，在Ke不變的條件下，電機(jī)換相點(diǎn)的非導(dǎo)通相反電動(dòng)勢大小由電機(jī)轉(zhuǎn)速決定。

無刷直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為［17］

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Ω為電機(jī)機(jī)械角速度;Bv為粘滯摩擦系數(shù)。在J、Bv一定的條件下，電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下從確定的位置轉(zhuǎn)過相同角度時(shí)的角速度與電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩有直接關(guān)系，而電磁轉(zhuǎn)矩由母線電壓決定［18］，因此，電機(jī)在起動(dòng)過程中，換相點(diǎn)的反電動(dòng)勢由母線電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩決定。再根據(jù)式（6）可得出，換相點(diǎn)非導(dǎo)通相的端電壓（換相閾值）由母線電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩決定。因此，在一定的母線電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，可以通過采集非導(dǎo)通相的端電壓與換相閾值進(jìn)行比較來估計(jì)換相點(diǎn)。

采用H－PWM－L－ON的調(diào)制方式下，C、B兩相導(dǎo)通時(shí)，A相端電壓波形如圖5（a）所示：反電動(dòng)勢從過零點(diǎn)到換相點(diǎn)呈上升趨勢，端電壓也呈上升趨勢。電機(jī)起動(dòng)時(shí)，采集端電壓大小并與換相閾值UT0比較，當(dāng)A相端電壓大于UT0時(shí)，進(jìn)行換相。B、C兩相導(dǎo)通時(shí)，A相端電壓波形如圖5（b）所示：反電動(dòng)勢從過零點(diǎn)到換相點(diǎn)呈下降趨勢，端電壓也呈下降趨勢。電機(jī)起動(dòng)時(shí)，采集端電壓大小并與換相閾值UT1比較，當(dāng)A相端電壓小于UT1時(shí)，進(jìn)行換相。

圖5 PWM調(diào)制下的A相端電壓波形Fig.5 Phase A terminal voltages under PWM modulation

2.2 換相閾值的確定

在離線狀態(tài)，依據(jù)霍爾傳感器得到不同母線電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的換相閾值。電機(jī)在起動(dòng)一個(gè)電周期后，轉(zhuǎn)速可達(dá)穩(wěn)定值的80%以上，因此只需采集第一個(gè)電周期內(nèi)的6個(gè)換相閾值［18］。表1為實(shí)測的換相閾值。實(shí)驗(yàn)條件為：電機(jī)極對數(shù)23、額定電壓48 V，額定功率350 W;母線電壓42～58 V，PWM占空比固定為20%;電阻 R1∶R2=15∶1;負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1 N·m（輕載）、8 N·m（中載）、20 N·m（重載）。從表1中可以看出，換相閾值受母線電壓的影響較大，而受負(fù)載轉(zhuǎn)矩和不同換相點(diǎn)的影響相對較小。因此，為了降低對MCU的性能要求以適合低成本應(yīng)用場合和降低軟件算法的復(fù)雜性，本文在一定的母線電壓下選取固定的換相閾值，然后通過線性插值的方法獲得任意母線電壓下的換相閾值。

表1 不同母線電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的換相閾值Table 1 Commutation threshold voltages in different bus voltages and different loads

3 無位置傳感器閉環(huán)起動(dòng)方法

電機(jī)起動(dòng)流程如圖6所示：分為預(yù)定位、加速和切換運(yùn)行3個(gè)階段，整個(gè)起動(dòng)過程中均為閉環(huán)換相。

圖6 無刷直流電機(jī)閉環(huán)起動(dòng)流程圖Fig.6 Flow chart of BLDCM closed-loop starting control

3.1 預(yù)定位

先給任意兩相繞組通電，并持續(xù)一段時(shí)間，將轉(zhuǎn)子磁極拖動(dòng)到與電機(jī)定子合成磁勢的位置上，從而確定轉(zhuǎn)子的初始位置。

3.2 加速

轉(zhuǎn)子定位后，根據(jù)當(dāng)前的母線電壓計(jì)算出換相閾值。為了保證電機(jī)具有足夠大的轉(zhuǎn)速以便檢測到反電動(dòng)勢，本文以一固定且較高占空比的PWM驅(qū)動(dòng)信號起動(dòng)電機(jī)，根據(jù)當(dāng)前功率驅(qū)動(dòng)管的導(dǎo)通狀態(tài)，立即啟動(dòng)對應(yīng)非導(dǎo)通相的端電壓檢測，并和換相閾值進(jìn)行比較來確定換相點(diǎn)。為了保證起動(dòng)的可靠性，如果超過設(shè)定的時(shí)間仍未檢測到換相點(diǎn)，則需強(qiáng)制給電機(jī)換相，并重新啟動(dòng)換相點(diǎn)檢測。

3.3 切換運(yùn)行

電機(jī)經(jīng)過加速后，連續(xù)換相6次后，速度相對穩(wěn)定時(shí)，換相點(diǎn)由反電動(dòng)勢過零點(diǎn)延時(shí)30°的電角度來確定。

4 實(shí)驗(yàn)研究

以一臺23極對、額定電壓48 V，額定功率350 W的無刷直流電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對象;ST公司的STM8S903K3單片機(jī)（集成7路AD轉(zhuǎn)換通道）為核心來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的起動(dòng)控制，分別在輕載（1 N·m）和重載（20 N·m）下測試電機(jī)的起動(dòng)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

本文方法起動(dòng)波形如圖7所示，可以看出：

1）在空載、重載條件下，以一較高的PWM占空比起動(dòng)電機(jī)，均能比較正確的檢測到第一個(gè)換相點(diǎn);

2）根據(jù)非導(dǎo)通相端電壓得到的換相點(diǎn)與理想換相點(diǎn)進(jìn)行對比可看出：大多數(shù)換相點(diǎn)比較準(zhǔn)確，而某些換相點(diǎn)誤差相對較大，主要與本文在一定的母線電壓下選取固定的換相閾值有關(guān);

3）雖然某些實(shí)際換相點(diǎn)與理想換相點(diǎn)存在誤差，但電機(jī)能夠平穩(wěn)，順利地起動(dòng)。

圖7 本文方法電機(jī)起動(dòng)波形圖Fig.7 Waveforms in proposed starting method

在加速過程中將反電動(dòng)勢過零點(diǎn)作為換相點(diǎn)的起動(dòng)波形如圖8所示，可以看出：

1）在空載條件下，電機(jī)能夠順利起動(dòng)，但是換相點(diǎn)與理想換相點(diǎn)誤差較大;

2）重載時(shí)，由于起動(dòng)時(shí)存在提前換相，降低了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)發(fā)生抖動(dòng)，導(dǎo)致起動(dòng)失敗。

圖8 過零點(diǎn)作為換相點(diǎn)的電機(jī)起動(dòng)波形圖Fig.8 Waveforms in the starting method commutated by zero-crossing points

5 結(jié)論

為了進(jìn)一步提高無位置傳感器無刷直流電機(jī)的起動(dòng)性能，本文提出了一種新穎的閉環(huán)起動(dòng)方法，得到以下結(jié)論：

1）電機(jī)在加速過程中依據(jù)非導(dǎo)通相端電壓進(jìn)行換相，避免了電機(jī)起動(dòng)過程中的開環(huán)加速，實(shí)現(xiàn)了位置的閉環(huán)控制，因此在輕載、重載下均能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的可靠起動(dòng)。

2）利用MCU自帶的AD轉(zhuǎn)換器采集非導(dǎo)通相端電壓，檢測電路只需6個(gè)分壓電阻，實(shí)現(xiàn)方便、成本低，具有工程實(shí)用價(jià)值。

［1］ 劉長征，葉瑰昀，陳德運(yùn)，等.無傳感器無刷直流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2008，12（6）：729－733.

LIU Changzheng，YE Guiyun，CHEN Deyun，et al.Design and realization of variable frequency tuning velocity system of senorless BLDCM［J］.Electric Machines and Control，2008，12（6）：729－733.

［2］ ERTUGRUL N，ACARNLEY P.A new algorithm for sensorless operation of permanent magnet motors［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1994，30（1）：126 －133.

［3］ JANG G H，PARK J H，CHANG J H.Position detection and startup algorithm of a rotor in a sensorless BLDC motor utilising inductance variation［J］.IEE Proceedings-Electric Power Applications，2002，149（2）：137 －142.

［4］ 夏長亮，楊曉軍，史婷娜，等.基于擾動(dòng)觀測器的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，17（6）：25－28.

XIA Changliang，YANG Xiaojun，SHI Tingna，et al.Position sensorless control of brushless DC motor based on the disturbance observer［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2002，17（6）：25－28.

［5］ 王迎發(fā)，夏長亮，陳煒.基于模糊規(guī)則的無刷直流電機(jī)起動(dòng)策略［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（30）：98 －103.

WANG Yingfa，XIA Changliang，CHEN Wei.Startup strategy for brushless DC motor based on fuzzy rules［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29（30）：98 －103.

［6］ TERZIC B，JADRIC M.Design and implementation of the extended Kalman filter for the speed and rotor position estimation of brushless DC motor［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2001，48（6）：1065 －1073.

［7］ FURUHASHI T，SANGWONGWANICH S，OKUMA S.A position-and-velocity sensorless control for brushless DC motors using an adaptive sliding mode observer［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1992，39（2）：89－95.

［8］ TOMITA M，SENJYU T，DOKI S，et al.New sensorless control for brushless DC motors using disturbance observers and adaptive velocity estimations［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1998，45（2）：274 －282.

［9］ 杜曉蕓，林瑞光，吳建華.無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制策略［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2002，6（1）：21－25.

DU Xiaoyun，LIN Ruiguang，WU Jianhua.The control of position －sensorless brushless DC motor［J］.Electric Machines and Control，2002，6（1）：21 －25.

［10］ 劉明基，王強(qiáng)，鄒繼斌，等.電動(dòng)勢換向無刷直流電機(jī)的預(yù)定位方式起動(dòng)［J］.微特電機(jī)，1999，27（2）：8－10.

LIU Mingji，WANG Qiang，ZOU Jibin，et al.The start method by means of pre-setting for the brushless DC motor of electro－motive force commutation［J］.Small＆ Special Electrical Machines，1999，27（2）：8 －10.

［11］ 鄒繼斌，張?jiān)?，李宗政，?無位置傳感器無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的研究［J］.微電機(jī)，1999，32（2）：16－18.

ZOU Jibin，ZHANG Yu，LI Zongzheng，et al.A drive circuit for sensorless brushless DC motor［J］.Micromotors，1999，32（2）：16－18.

［12］ 薛曉明，馬建如.一種基于線電壓差的無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)新方法［J］.微電機(jī)，2009，42（2）：90 －93.

XUE Xiaoming，MA Jianru.A new starting method for sensorless brushless DC motor based on line voltage differences［J］.Micromotors，2009，42（2）：90 －93.

［13］ DAMODHARAN P，VASUDEVAN K.Sensorless brushless DC motor drive based on the zero-crossing detection of back electromotive force（EMF）from the line voltage difference［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2010，25（3）：661－668.

［14］ 李自成，程善美，秦憶.線反電動(dòng)勢檢測無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置方法［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14（12）：96 －100.

LI Zicheng，CHENG Shanmei，QIN Yi.Novel rotor position detection method of line back EMF for BLDCM［J］.Electric Machines and Control，2010，14（12）：96 －100.

［15］ KIM T Y，LYOU J.Commutation instant detector for sensorless drive of BLDC motor［J］.Electronics Letters，2011，47（23）：1269－1270.

［16］ 張智堯，林明耀，周谷慶.無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)無反轉(zhuǎn)起動(dòng)及其平滑切換［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（11）：26－32.

ZHANG Zhirao，LIN Mingyao，ZHOU Guqing.Anti－ reverse rotation startup and smoothly switching of sensorless brushless DC motor［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24（11）：26－32.

［17］ 夏長亮.無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009：37.

［18］ 史婷娜，吳曙光，方攸同，等.無位置傳感器永磁無刷直流電機(jī)的起動(dòng)控制研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（6）：111－116.

SHI Tingna，WU Shuguang，F(xiàn)ANG Youtong，et al.Research on sensorless PM brushless DC motor starting control［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29（6）：111 －116.

（編輯：張?jiān)婇w）