任志斌，溫路佳，許 斌，王 喆

(江西理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院， 江西 贛州 341000)

0 引 言

無刷直流電機(jī)具有效率高、體積小、輸出轉(zhuǎn)矩大、控制簡單等特點(diǎn)。并伴隨著國家稀土永磁產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，稀土永磁體的性能不斷提高，無刷直流電機(jī)較低的制造成本和較高的調(diào)速性能優(yōu)勢更加明顯。無刷直流電機(jī)通常用位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置，但位置傳感器的使用會使電機(jī)的體積和成本增大；在高溫、高濕等相對惡劣的環(huán)境下位置傳感器的檢測性能將會大大下降；其它信號的干擾也會對轉(zhuǎn)子位置的檢測產(chǎn)生一定的影響，使得電機(jī)的運(yùn)行性能有所降低。因此為了克服上述所存在的問題和使無刷直流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，提出了無位置傳感器控制技術(shù)，即無刷直流電機(jī)的位置檢測不需要霍爾傳感器等位置檢測元器件。無位置傳感器控制技術(shù)不但克服了許多位置傳感器的弊病，減小了無刷直流電機(jī)的體積，方便了無刷直流電機(jī)的安裝維修，還加強(qiáng)了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾能力，延長了控制系統(tǒng)的使用壽命。因此，無刷直流電機(jī)的無位置傳感器的良好控制已成為近年來一個主要的研究趨勢[1-2]。

無刷直流電機(jī)無位置控制技術(shù)的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確檢測[3]，無位置傳感器控制技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)很多控制策略，其中應(yīng)用較廣泛的有:反電動勢過零點(diǎn)檢測法[4]、線反電動勢過零點(diǎn)法[5]、滑膜觀測器法[6]等。應(yīng)用最普遍的是反電動勢過零點(diǎn)檢測法，反電動勢過零點(diǎn)檢測法由于控制簡單，容易實(shí)現(xiàn)，一般的工程方案大多為反電動勢過零點(diǎn)檢測法，文獻(xiàn)[7]是利用反電動勢過零點(diǎn)檢測法實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)無位置傳感器的控制。通過檢測端電壓，經(jīng)過分壓后阻容濾波，再經(jīng)過比較器與重構(gòu)中性點(diǎn)電壓比較，將比較器輸出信號即反電動勢過零點(diǎn)信號傳至單片機(jī)中，然后軟件處理延遲30°電角度，實(shí)現(xiàn)反電動勢過零點(diǎn)檢測法無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制。這種方法的缺陷是：需經(jīng)過阻容濾波之后，造成反電動勢過零點(diǎn)漂移，使其延遲一定的角度容易造成無刷直流電機(jī)的控制失步并且在起動和低速時反電動勢檢測困難、重載時續(xù)流影響等問題。文獻(xiàn)[8]則完全依賴硬件，通過選擇合適的電阻與電容，將反電動勢過零點(diǎn)信號通過硬件延遲30°電角度，再將信號經(jīng)過比較器傳入單片機(jī)，直接將得到的信號當(dāng)作轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置進(jìn)行換相，該方法由于完全依賴于硬件電路，因此一旦電阻電容選擇錯誤勢必造成反電動勢過零點(diǎn)位置不準(zhǔn)，最終導(dǎo)致無刷直流電機(jī)換相不準(zhǔn)。文獻(xiàn)[9]通過采用反電動勢三次諧波檢測法來檢測轉(zhuǎn)子位置，即檢測虛擬中性點(diǎn)的三次諧波過零點(diǎn)來確定轉(zhuǎn)子位置，從而得到定子繞組換相信息，而三次諧波檢測電路的設(shè)計(jì)主要是通過無源濾波器來實(shí)現(xiàn)的，該方法原理復(fù)雜，需要大量推導(dǎo)公式，并對無源濾波器要求嚴(yán)格，不容易實(shí)現(xiàn)。因而對于無位置傳感器下無刷直流電機(jī)的優(yōu)質(zhì)性能控制，還沒有找到真正有效的解決辦法。

無刷直流電機(jī)控制方式有HPWM-LON、HON-LPWM、ON-PWM 、PWM-ON 、HPWM-LPWM五種控制方式[10]，在對無刷直流電機(jī)的這五種控制方式深入的研究后本文采用了HPWM-LON的控制方式，在此控制方式下找到非導(dǎo)通相換相時刻端電壓值基本保持穩(wěn)定的特點(diǎn)，并通過模數(shù)的方法檢測非導(dǎo)通相端電壓，比較非導(dǎo)通相端電壓相鄰采樣周期前后時刻的電壓差值，得出換相點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的直接換相。由于成功找到換相時刻與非導(dǎo)通相端電壓的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了直接換相，避免了因續(xù)流作用以及硬件檢測所造成的失步與角度延遲，提高換相的準(zhǔn)確度。

1 基于端電壓檢測的無感轉(zhuǎn)子位置檢測法

1.1 無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

無刷直流電機(jī)一般采用“兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)”的工作方式，定子繞組為Y型連接，電機(jī)的中性點(diǎn)沒有引出，圖1為無刷直流電機(jī)的主回路等效原理圖。

圖1 無刷直流電機(jī)換相方式

無刷直流電機(jī)的反電動勢為梯形波，繞組間的互感為非線性關(guān)系。在不考慮定子齒槽的影響、不考慮電機(jī)磁路不飽和以及電樞反應(yīng)對氣隙磁通影響忽略不計(jì)的情況下，假設(shè)三相繞組完全對稱時，可以得到無刷直流電機(jī)三相繞組端電壓為

(1)

(2)

(3)

式中，Ua、Ub、Uc分別為定子繞組的各相電壓，iA、iB、iC分別為各相相電流，eA、eB、eC為各相相反電動勢，R為各相的電阻，L為各相的自感，un為中性點(diǎn)電壓。

1.2 無刷直流電機(jī)非導(dǎo)通相端電壓分析

在圖1無刷直流電機(jī)的主回路等效原理圖中，以AC相導(dǎo)通為例分析，即定子電流從A相繞組流入，C相繞組流出，B相繞組作為非導(dǎo)通相。那么此刻三相繞組的端電壓為

(4)

(5)

Ub=eB+un

(6)

當(dāng)AC導(dǎo)通,B相斷開時根據(jù)圖1可知AC相反電動勢和電流關(guān)系為

iA=-iC=i

(7)

eA=-eC=E

(8)

由式(4)、式(5)、式(7)、式(8)可得，電機(jī)中性點(diǎn)電壓為

(9)

將式(9)代入式(6)得：

(10)

由于本系統(tǒng)的控制方式為HPWM-LON的模式,當(dāng)AC導(dǎo)通,B相斷開時，此時A相上橋臂PWM調(diào)制，C相下橋臂恒通。當(dāng)A相上橋臂PWM開通期間，A相的端電壓為Udc；PWM關(guān)斷期間，A相相電流iA不會立即消失，會通過反并聯(lián)二極管D4進(jìn)行續(xù)流此時A相的端電壓Ua被鉗位為0。C相在下橋臂且為恒通，所以C相的端電壓為0。因此式(10)可以表示為

(11)

在無刷直流電機(jī)中，當(dāng)電機(jī)處于換相時非導(dǎo)通相反電動勢此時處于轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置，此刻反電動勢的變化接近平緩，因而相鄰采樣周期前后時刻的電壓差值處于最小的狀態(tài)。又通過式(11)可以得出非導(dǎo)通相的端電壓的變化可以反映出反電動勢的變化，因此可以通過對端電壓進(jìn)行檢測分析提取出換相信號找到相對應(yīng)的換相點(diǎn)。檢測非導(dǎo)通相端電壓可以避免檢測到無刷直流的開關(guān)噪聲等問題，保證換相的準(zhǔn)確度。對于在HPWM-LON的模式下另外5種的導(dǎo)通分析與AC相導(dǎo)通分析相同。

1.3 基于非導(dǎo)通相端電壓檢測換相點(diǎn)分析

在HPWM-LON控制方式下，無刷直流電機(jī)的B相端電壓實(shí)際波形如圖2所示。

圖2 B相端電壓實(shí)際波形

圖3為三相端電壓分析圖，可以看出B相的端電壓可以分為五段，第三段是B相作為導(dǎo)通相的端電壓波形，其余端為B相作為非導(dǎo)通相的端電壓波形。在第一段和第三段中會有續(xù)流現(xiàn)象的出現(xiàn)，并且伴隨著負(fù)載的加大，續(xù)流時間也會隨之變長。當(dāng)續(xù)流時間過長時，在傳統(tǒng)的反電動勢法中勢必會使無刷直流電機(jī)換相不準(zhǔn)確，導(dǎo)致電機(jī)的失步。對于A相和C相的端電壓分析與上述B相的端電壓分析相同。

圖3 三相端電壓分析圖

利用圖3與上面的理論分析結(jié)合，對下橋臂換相和上橋臂換相進(jìn)行一定的說明。下橋臂換相，以A相處于非導(dǎo)通狀態(tài)來說明。當(dāng)電機(jī)由BC導(dǎo)通換相成BA導(dǎo)通的時刻，非導(dǎo)通相A相端電壓相鄰采樣周期前后時刻的電壓差值將會變得很小且在一定的范圍內(nèi)，且對應(yīng)于此刻的換相點(diǎn)。對于上橋臂換相，以C相處于非導(dǎo)通狀態(tài)來說明，當(dāng)電機(jī)由BA導(dǎo)通換相成CA導(dǎo)通時刻，非導(dǎo)通相C相端電壓相鄰采樣周期前后時刻的電壓差值將會變得很小且在一定的范圍內(nèi),且對應(yīng)于此刻的換相點(diǎn)。從通過上面的理論分析與波形分析可知可以通過檢測端電壓，通過對端電壓相鄰采樣周期前后的電壓差值做判斷實(shí)現(xiàn)電機(jī)的直接換相。

1.4 基于非導(dǎo)通相端電壓檢測快速起動描述

在此方法下，無刷直流電機(jī)的起動突破了傳統(tǒng)無感控制的三段式起動方式的局限，避免了傳統(tǒng)的三段式起動方式需要電機(jī)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速以及需要較為穩(wěn)定的反電動勢才可穩(wěn)定控制的弊端。依據(jù)上述的分析通過給定一個導(dǎo)通狀態(tài)，此時電機(jī)會快速轉(zhuǎn)動一下，使得非導(dǎo)通相端電壓變化，此時通過檢測該非導(dǎo)通相的端電壓并利用上面的換相規(guī)律進(jìn)行換相電機(jī)將會實(shí)現(xiàn)快速換相起動。

2 根據(jù)端電壓檢測的無感控制方法實(shí)現(xiàn)

2.1 端電壓采樣設(shè)計(jì)

通過上述分析可知可以利用非導(dǎo)通相端電壓和非導(dǎo)通相端電壓相鄰采樣周期前后時刻的電壓差值作為換相判斷依據(jù)。為了準(zhǔn)確檢測到無刷直流電機(jī)換相位置，需要對非導(dǎo)通相端電壓進(jìn)行采樣。

為了得到準(zhǔn)確的采樣端電壓波形，通過外圍電路，將端電壓經(jīng)過電阻分壓后直接連接至單片機(jī)模數(shù)引腳，對端電壓進(jìn)行連續(xù)的模數(shù)采樣。要準(zhǔn)確獲取端電壓，需對其進(jìn)行PWM中點(diǎn)采樣。在HPWM-LON的控制方式下，其PWM周期為80 μs為了能夠準(zhǔn)確的在PWM中點(diǎn)進(jìn)行采樣，ADC采樣時間必須遠(yuǎn)小于80 μs的PWM周期，因此設(shè)置ADC采樣頻率為8 MHz，采樣時間加轉(zhuǎn)換時間為3 μs，在一個PWM高電平內(nèi)采樣多次，并將該信號取平均值，便得到較為準(zhǔn)確的PWM中點(diǎn)電壓采樣值。同時，ADC端電壓采樣電阻大小要選擇合理，過小的電阻容易因采樣電流的波動而燒毀單片機(jī)，同時由于是對三相的端電壓進(jìn)行采樣，因此在設(shè)計(jì)電阻分壓采樣電路的時候，要選擇電阻精度盡量高的電阻，本實(shí)驗(yàn)的采樣電阻的精度為1%精度的電阻。針對上面敘述的端電壓采樣的要求設(shè)計(jì)了如圖4的采樣原理圖，圖5為與之相對應(yīng)的端電壓采樣的實(shí)物圖。

圖4 端電壓采樣原理圖電路

圖5 端電壓采樣實(shí)物電路

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)控制框圖如圖6所示，起動時通過控制器直接給定固定的電壓矢量，將電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)起動。當(dāng)電機(jī)起動后，通過采樣非導(dǎo)通相的端電壓，經(jīng)過換相分析，得到轉(zhuǎn)子的角速度ω。將給定電動機(jī)速度與實(shí)際測算出的電動機(jī)速度的差值作為速度調(diào)節(jié)器的輸入，速度調(diào)節(jié)器的輸出量與實(shí)際電路中檢測電流值的差值作為電流調(diào)節(jié)器的輸入值，并經(jīng)過換相分析控制六路PWM信號逆變器的輸出，實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的無位置雙閉環(huán)控制。

圖6 系統(tǒng)控制框圖

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺搭建

為了對所采用的方法進(jìn)行合理性驗(yàn)證，搭建了如圖7所示的實(shí)驗(yàn)平臺，主控芯片采用的是ST公司的stm32f103c8t6芯片，其ADC采樣速率最快為1 μs，滿足本實(shí)驗(yàn)需求。開關(guān)器件采用的是N溝道MOS管NCE80H11，被控對象是一款東方公司的額定電壓24 V、額定功率為100 W、額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，4極對的無刷直流電機(jī)。其中圖8為無位置傳感器控制新方法下的控制器。

圖7 無位置傳感器控制新方法下的實(shí)驗(yàn)平臺

圖8 無位置傳感器控制新方法下的控制器

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過圖7的實(shí)驗(yàn)平臺完成了該控制系統(tǒng)的起動實(shí)驗(yàn)、電機(jī)直接換相、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和電機(jī)的調(diào)速等實(shí)驗(yàn)。圖9為在無位置傳感器控制新方法下的端電壓波形圖，可知在此無位置傳感器方法下無刷直流電機(jī)控制效果與有位置傳感器的控制效果相似。

圖9 無位置傳感器控制新方法下的端電壓波形圖

圖10(a)和圖10(b)是在相同的PI調(diào)節(jié)參數(shù)的情況下無位置傳感器控制新方法的速度響應(yīng)波形圖和傳統(tǒng)反電動勢過零點(diǎn)法的速度響應(yīng)波形圖。

圖10 兩種無位置傳感器控制下速度波形對比

從圖10(a)可以發(fā)現(xiàn)在該無位置傳感器控制新方法下起動速度響應(yīng)時間在0.4 s左右，從圖10(b)可以看到在傳統(tǒng)反電動勢過零點(diǎn)法下的起動速度的響應(yīng)時間在0.6 s左右。因此在該無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制新方法下的起動速度的響應(yīng)時間是明顯的要優(yōu)于傳統(tǒng)反電動勢過零點(diǎn)下的起動速度的響應(yīng)時間的。同時可以看出在無位置傳感器控制新方法下速度的變化比在傳統(tǒng)的反電動勢過零點(diǎn)法速度變化更加穩(wěn)定。

圖11為無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制新方法下和無刷直流電機(jī)帶霍爾傳感器控制下的換相點(diǎn)的對比圖。由圖11可知在此無位置傳感器控制新方法下無刷直流電機(jī)控制效果與帶有位置傳感器的控制效果相似。

圖11 換相對比圖

對于該系統(tǒng)所涉及的所有參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)表

4 結(jié) 語

本文探索了一種新穎的無感控制方法，通過對無刷直流電機(jī)的三相端電壓的準(zhǔn)確模數(shù)采樣，截取出非導(dǎo)通相端電壓模數(shù)采樣值，并通過分析采樣數(shù)據(jù)，得到轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置，控制開關(guān)管以達(dá)到準(zhǔn)確換相的目的。通過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方法的可行性，與傳統(tǒng)的無位置控制方法相比較，該方法不但控制簡單高效，且無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置定位準(zhǔn)確，還避免了由于續(xù)流現(xiàn)象以及反電動勢檢測電路中電阻電容選擇錯誤造成的無刷直流電機(jī)失步現(xiàn)象的發(fā)生。該方法在保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性的基礎(chǔ)上，大大減少了硬件成本，克服了傳統(tǒng)無刷直流電機(jī)無感控制弊端，是一種可以廣泛推廣的方法。