基于無刷直流電機的無位置傳感器控制*

任志斌, 周運逸, 朱 杰, 劉榮昌

(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

無刷直流電機以其轉(zhuǎn)矩大、效率高、噪音小、調(diào)速范圍寬和電磁污染小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備、家用電器以及電動車等領(lǐng)域[1～3]。通常采用位置傳感器來檢測無刷直流電機的轉(zhuǎn)子位置，實現(xiàn)換相。受安裝位置的準確性和外界濕度等不可控因素影響，電機位置傳感器可靠性有可能降低，同時增加了電機的體積和成本[4]。因此，無刷直流電機無位置傳感器控制方法成為近年來的研究熱點之一，常采用的控制方法有反電動勢法、磁鏈函數(shù)法、續(xù)流二極管法和電感法等[5～8]。本文著重分析無刷直流電機非導(dǎo)通相端電壓與母線電壓之間的關(guān)系得到反電動勢過零點信息，省去了重構(gòu)電機中性點的硬件電路，并且不需要濾波，避免了換相信號延遲，具有換相準確、計算量小、實時性好，啟動

迅速等優(yōu)點。

1 控制原理分析

1.1 無刷直流電機數(shù)學(xué)模型

圖1所示為三相全橋式無刷直流電機的拓撲圖，采用H_PWM-L_ON的二二導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式。為簡化分析，假設(shè)電機繞組為星形接法，不考慮齒槽效應(yīng)和磁路飽和，忽略磁滯、渦流、集膚效應(yīng)和溫度對參數(shù)的影響。

圖1 無刷直流電機拓撲圖

無刷直流電機的端電壓表達式關(guān)系式

式中uA，uB，uC分別為電機的三相定子繞組各相電壓，iA，iB，iC分別為電機的三相定子相電流；L=Ls-Lm(Ls定子相繞組自感，Lm定子相繞組互感)，eA,eB,eC為電機三相繞組反電動勢；uN為電機中性點電壓。

1.2 反電動勢過零點分析

系統(tǒng)的控制方式采用H_PWM-L_ON的模式，以AB相導(dǎo)通為例，即此時逆變橋A相上橋臂處于PWM調(diào)制工作狀態(tài)電流從A相上橋臂流入，B相下橋臂處于恒通狀態(tài)電流從B相下橋臂流出，此時C相為非導(dǎo)通相，即iC=0，該工作狀態(tài)用A to B來表示。那么此刻的三相端電壓為

且三相相電流關(guān)系為

iA+iB+iC=0

(3)

A to B時相電流和反電動勢的關(guān)系如下

iA=-iB

(4)

eA=-eB

(5)

由式(2)、式(4)、式(5)得到電機中性點電壓為

uN=(uA+uB)/2

(6)

將式(6)代入式(2)得

uC=eC+(uA+uB)/2

(7)

因為系統(tǒng)的控制模式為H_PWM-L_ON，則在A相上橋臂PWM導(dǎo)通期間，由圖1分析得

uA=udc,uB=0

(8)

將(8)式代入式(7)可得在上橋臂PWM導(dǎo)通期間非導(dǎo)通相C相端電壓

圖2為三相端電壓與反電動勢波形分析圖，當(dāng)電機工作狀態(tài)為A to B時，C相為非導(dǎo)通相，此時C相反電動勢有零點。結(jié)合式(9)可知，在上橋臂PWM導(dǎo)通期間，當(dāng)C相端電壓為此刻端電壓峰值的50 %時，C相反電動勢過零點。由此可得出結(jié)論，C相端電壓與udc/2相比較可以得到反電動勢過零點信息。同理電機在H_PWM-L_ON模式下上橋臂PWM導(dǎo)通期間，工作在另外5種開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)分析與此相同，即通過檢測非導(dǎo)通相端電壓與此刻的母線電壓的50 %相比較得出此時反電動勢過零點信息，再延遲30°電角度得到換相點。

圖2 三相端電壓與反電動勢波形

為了準確地得到端電壓與母線電壓波形，設(shè)計了如圖3的端電壓與母線電壓采樣電路，將端電壓與母線電壓通過電阻分壓后連接至比較器；如圖4，C相端電壓與1/2母線電壓比較產(chǎn)生高低電平，從而得到反電動勢過零點。

圖3 端電壓與母線電壓采樣電路

圖4 C相端電壓與母線電壓比較電路

1.3 電機啟動分析

電機啟動分析圖如圖5所示，假設(shè)此時電機轉(zhuǎn)子N極位置位于圖5(a)上半陰影部分位置，此刻控制開關(guān)管的狀態(tài)為B to C，對應(yīng)的合成磁動勢為Fs，這樣就會迫使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過虛線位置時，A相會感應(yīng)出一個由正變負反電動勢的變化，再延時30°電角度進行換相，電機啟動完成。

當(dāng)轉(zhuǎn)子N極位置位于圖5(b)下半部分陰影位置時，如果此時依然通狀態(tài)為B to C的合成磁動勢Fs，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)到S3N3的位置，在此過程中A相無法檢測出反電動勢過零點，會導(dǎo)致無法啟動；如圖5(c)，則可檢測B相反電動勢變化情況，通與Fs相差120°電角度開關(guān)管狀態(tài)為C to A的合成磁動勢Fs1，在Fs1的作用下下轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動越過虛線，此時B相繞組可感應(yīng)出反電動勢過零點，再延時30°電角度進行換相，電機啟動由此完成。

圖5 電機啟動分析

綜上可知，無論電機轉(zhuǎn)子初始位置在哪個區(qū)域，最多通兩個狀態(tài)的相差120°電角度的合成磁動勢，就可以找到非導(dǎo)通相反電動勢過零點信息，從而使電機快速啟動。

2 控制方法的實現(xiàn)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

圖6是無刷直流電機無位置傳感器控制框圖，電機啟動采用上述快速啟動方式啟動電機，設(shè)計了速度環(huán)和電流環(huán)組成的雙環(huán)控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)更好的動態(tài)性能。電機啟動后，在H_PWM-L_ON模式下上橋臂導(dǎo)通期間采樣非導(dǎo)通相端電壓與此刻的母線電壓進行比較得電動勢過零點信號，經(jīng)換相分析后，計算出的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速給定的差值輸入到速度調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器的輸出與電流檢測采樣值的差值作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再根據(jù)換相分析控制六路PWM輸出。

圖6 無刷直流電機無位置傳感器控制框圖

2.2 實驗平臺的搭建

搭建的實驗平臺如圖7所示，采用STM32F103C8T6型號的單片機；開關(guān)管選擇NCE80H11型號的N溝道MOS管；比較器型號為LM339，其響應(yīng)時間為1.3 μs，使得檢測更加精準；無刷直流電機的極對數(shù)為2，額定電壓為24 V，額定功率31 W，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

圖7 實驗平臺

3 實驗結(jié)果與分析

圖8是轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時C相端電壓波形在H_PWM-L_ON模式PWM導(dǎo)通期間檢測到比較器輸出高低電平波形?？梢钥闯龇措妱觿葸^零點之后30°電角度正是霍爾傳感器跳變點，可認為該方法檢測出的反電動勢過零點再延時30°電角度得到的信號與霍爾傳感器產(chǎn)生的信號是一致的，證明此無刷直流電機無位置傳感器控制方法的可行性。

圖8 比較器輸出與霍爾信號波形

圖9為無刷直流電機在有霍爾傳感器和無位置傳感器控制策略兩種控制方式下檢測的速度波形，速度給定均是1 600 r/min。有霍爾傳感器的速度波形在上升階段比較平穩(wěn)，約0.5 s后達到速度給定值，略有超調(diào)，經(jīng)電流環(huán)和速度環(huán)調(diào)節(jié)，在1.2 s時刻轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定；而采用上述無位置傳感器控制方式的無刷直流電機速度波形在速度上升階段反應(yīng)較快，約0.2 s達到給定轉(zhuǎn)速，并有少許超調(diào)，0.5 s后轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定。兩者到達穩(wěn)定階段轉(zhuǎn)速均趨于平穩(wěn)，效果幾乎一致。實驗證明該方法可以達到和有霍爾傳感器控制相同的性能，具有一定是實用價值。

圖9 二種控制方式下的速度波形

4 結(jié) 論

本文采用通過采樣非導(dǎo)通相端電壓和母線電壓中點相比較的方式，得到反電動勢過零點信息，再延時30°電角度得到換相點。方法省去了重構(gòu)電機中性點的硬件電路，避免了濾波電路所造成的的相位延遲，檢測電路采用精密電阻分壓采樣，無需額外供電，同時設(shè)計了新的啟動方式，相比于三段式啟動用時更短。實驗證明：本文方法可以達到與有霍爾傳感器幾乎相同的控制效果，具有一定的實用性。