林曉園，江楠，胡淑芳

（福建江夏學(xué)院電子信息科學(xué)學(xué)院，福建福州350108）

一種新的空間矢量控制方法在無刷直流電機(jī)中的應(yīng)用

林曉園，江楠，胡淑芳

（福建江夏學(xué)院電子信息科學(xué)學(xué)院，福建福州350108）

根據(jù)無刷直流電機(jī)的工作原理，提出了一種新的計(jì)算空間矢量的控制方法，利用霍爾檢測(cè)并估算轉(zhuǎn)子的位置，可以使普通的方波控制器不需要做任何硬件修改，按照此方法達(dá)到空間矢量控制的效果。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，節(jié)約了成本，具有很好的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

空間矢量控制；PWM電路；無刷直流電機(jī)

無刷直流電機(jī)（brushless direct current,BLDC）電機(jī)是一種正快速普及的電機(jī)類型，它可在家用電器、汽車、航空航天、消費(fèi)品、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和儀器等行業(yè)中使用?，F(xiàn)在無刷直流電機(jī)控制有方波、正弦波、電流跟蹤法和空間矢量法。方波控制方法即通過PWM輸出帶一定占空比的方波來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速（PWM控制[1]方法）；正弦波控制著眼于使逆變器輸出電壓盡量接近正弦波；電流跟蹤控制直接著眼于輸出電流是否按正弦變化；電機(jī)輸入電壓、電流的最終目的是在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，而按照產(chǎn)生跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來控制PWM電壓，這樣控制方法就叫電壓空間矢量控制[2]。現(xiàn)在無刷直流電機(jī)控制多采用方波控制法，但是該控制方法存大噪音大、效率低的缺點(diǎn)?？臻g矢量控制方法具有效率高，噪音小的優(yōu)點(diǎn)，但其算法比較復(fù)雜，需要大量的計(jì)算，因而實(shí)現(xiàn)該算法時(shí)通常采用高速的單片機(jī)或嵌入式處理器來實(shí)現(xiàn)，這樣會(huì)增加成本。本文介紹了一種新的計(jì)算空間矢量的控制方法，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，可以大大降低成本。

1 PWM控制原理

BLDC電機(jī)的定子由鑄鋼疊片組成，繞組置于沿內(nèi)部圓周軸向開鑿的槽中。無刷直流電機(jī)是通過按照一定順序給繞組通電，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的，如圖1所示。

圖1 無刷直流電機(jī)繞組通電順序圖

圖2 無刷直流電機(jī)控制圖

由于需要不斷改變繞組的通電順序，所以需要對(duì)三相繞組進(jìn)行開關(guān)電控制[3]，現(xiàn)在通常是采用PWM逆變器控制MOS管，實(shí)現(xiàn)繞組輪流導(dǎo)通，控制電路如圖2所示。

按照?qǐng)D1所示的導(dǎo)通順序控制MOS管使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，Q1、Q4導(dǎo)通，其它關(guān)閉；Q1、Q2導(dǎo)通，其它關(guān)閉；Q5、Q2導(dǎo)通，其它關(guān)閉；Q5、Q0導(dǎo)通，其它關(guān)閉；Q3、Q0導(dǎo)通，其它關(guān)閉；Q3、Q4導(dǎo)通，其它關(guān)閉；共6種狀態(tài)，即u1、u2、u3、u4、u5、u6這6種狀態(tài)[4]。

對(duì)于每一個(gè)有效的工作狀態(tài)，都可用一個(gè)合成的空間矢量表示，其幅值相等，相位不同，隨著逆變器工作狀態(tài)的不斷切換，電機(jī)電壓空間矢量的相位跟著做相應(yīng)的變化。到一個(gè)周期結(jié)束，u6的頂端恰好與u1尾端銜接，一個(gè)周期的6個(gè)電壓空間矢量共轉(zhuǎn)過2π角度，形成一個(gè)封閉的正六邊形。這樣一個(gè)電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)所形成的六邊形軌跡可以認(rèn)為是磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌跡[2]，如圖3所示。

根據(jù)分析知道，在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)60°就需要切換通電順序?；魻枱o刷直流電機(jī)中,是通過3個(gè)霍爾元件來獲取轉(zhuǎn)子的位置，為了獲得對(duì)稱的電勢(shì)和磁勢(shì)，霍爾元件一般放置在各相帶繞組的中間位置，可以放置在A、C、B三個(gè)相帶的中間位置,即為60°間隔放置;也可以放置在A、B、C相帶位置,即為120°間隔放置。通過檢測(cè)霍爾元件的值來控制PWM輸出波形，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制?；魻栐蹬cPWM控制及相電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

圖3 六邊形軌跡矢量圖

表1 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)序

2 新的空間矢量控制法

電機(jī)內(nèi)部的磁鏈軌跡是圓形，而常規(guī)六拍逆變器供電的電機(jī)只產(chǎn)生正六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，顯然不利于電機(jī)的勻速旋轉(zhuǎn)，因此需要對(duì)該控制方法進(jìn)行改進(jìn)。為了能夠得到一個(gè)接近于電機(jī)內(nèi)部圓形的磁鏈軌跡[5]，可以運(yùn)用矢量合成的方法，得到一個(gè)近似圓形的磁鏈軌跡，如圖4所示。

根據(jù)圖4所示，其中u和u1、u2的幅值相同，則在u1上的分量為：

在u2上的分量為：

三相電機(jī)中除了圖1中所示的6種狀態(tài)外，還有兩種狀態(tài)，即三相都接正極或都接負(fù)極兩種狀態(tài)，視為無效狀態(tài)。在給定PWM周期T期間，u1的輸出時(shí)間為T1，而u2的輸出時(shí)間為T2，T0則為無效狀態(tài)的時(shí)間，則T=T1+T2+T0=PWM周期。

圖4 電壓空間矢量合成

則T1表示Q1、Q4導(dǎo)通時(shí)間，T2表示Q1、Q2導(dǎo)通時(shí)間。控制器配置PWM輸出為中心對(duì)齊PWM信號(hào)，使PWM信號(hào)以周期的中心對(duì)稱。這種配置方法在每個(gè)周期內(nèi)可產(chǎn)生兩個(gè)線間脈沖。有效開關(guān)頻率加倍，紋波電流減小，同時(shí)并未增加功率器件的開關(guān)損耗。圖2所示的PWM逆變器中Q1和Q0、Q2和Q3、Q4和Q5是互補(bǔ)的，PWM1、PWM3、PWM5在周期T內(nèi)PWM輸出如圖5所示。

圖5 周期T內(nèi)PWM

3 結(jié)果及討論

根據(jù)式（4）和式（6）得知，只需要知道θ的值就可計(jì)算出T1、T2的導(dǎo)通時(shí)間。而通過霍爾來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，只能每隔60°檢測(cè)到一次霍爾變化，無法知道任意的角度θ。傳統(tǒng)的正弦波無刷直流電機(jī)需要專門轉(zhuǎn)子位置傳感器如旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器來產(chǎn)生正弦波參考信號(hào)，這些傳感器價(jià)格昂貴，而且安裝高度復(fù)雜。常用的正弦波無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法有：卡爾曼濾波法、假想坐標(biāo)法、磁鏈法、電感法[6]。但是這些方法算法復(fù)雜，計(jì)算量大，需要高速運(yùn)算處理器，大大增加了成本。

采用霍爾檢測(cè)簡(jiǎn)單估算法，即每60°檢測(cè)仍然通過霍爾檢測(cè)，而60°內(nèi)平均6等分，因此相當(dāng)于在360°的電機(jī)內(nèi)，每10°形成一個(gè)空間矢量，這樣就形成一個(gè)近似圓形的磁鏈圓，大大提高的效率，以及降低了噪音。比如通過檢測(cè)一次霍爾變化的間隔時(shí)間做為下一個(gè)60°的總時(shí)間，然后將這個(gè)時(shí)間6等分，將這個(gè)時(shí)間值寫入定時(shí)器，在定時(shí)器結(jié)束時(shí)改變T1和T2的值，來合成一個(gè)新的矢量，即每10°形成一個(gè)空間矢量，這樣就形成一個(gè)36邊形的空間矢量，近似圓形。其中ψ1和ψ2的值如表2所示。

表2 ψ的計(jì)算值

根據(jù)上述方法來模擬計(jì)算得出三相繞組中每相的PWM輸出如圖6所示，這與通過空間矢量方法計(jì)算得出的每相的PWM輸出波形基本吻合。

圖6 PWM輸出控制結(jié)果圖

該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可以通過普通的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)該控制算法，而通過該方法得到的效果幾乎與通過復(fù)雜的空間矢量方法得出的控制效果相似，使得現(xiàn)成的方波控制器在不需要修改硬件的情況下得到與采用空間矢量控制方法相同的效果，大大降低了成本，具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。

[1]余虹,付榮,蔡長(zhǎng)美,等.基于LM3S615的數(shù)碼發(fā)電機(jī)的輸出波形控制[J].三明學(xué)院學(xué)報(bào),2011,28(6)：54-59.

[2]嚴(yán)偉,龔幼民.空間矢量控制算法電路實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2004,21(7)：153-159.

[3]MOHAMMED O A,LIU S,LIU Z.A phase variable model of brushless DC motor based on finite element analysis and its coupling with external circuits[J].IEEE Transactions on Magnetics,2005,41(5)：1576-1579.

[4]SERGIO BUSQUETS MONGE,BORDONAU J,BOROYEVICH D,et al.The nearest three virtual space vector PWM-a modulation for the comprehensive neutral-pointbalancing in the three-level NPC inverter[J].IEEE Power Electronics Letters,2004,2(1)：11-15.

[5]CHEN CHERN LIN,LEE CHE MING,TU RONG JIE,et al.A novel simplified space-vector-modulated control scheme for three-phase switch-mode rectifier[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1999,46(3)：512-516.

The Application of a Novel Space Vector Control Method in Brushless DC Motor

LIN Xiao-yuan，JIANG Nan,HU Shu-fang
(School of electronic communication engineering,Fujian jiangxia Uninersity,Fuzhou350108,China)

According to the working principle of brushless DC motor,a novel space vector control method of brushless DC motor is presented in this paper.This method uses hall to detect and estimate the position of the rotor.By this method, the ordinary square wave controllers can achieve the effect of the space vector control without any hardware modifications. Because of the performance of simple implementation,good stability and reliability and low cost,this method has an excellent value for industrial application.

space vector control;PWM circuit;brushless DC motor

TM33

A

1673-4343（2013）04-0052-04

2013-03-20

福建省科技廳基金項(xiàng)目(JK2012030）

林曉園，女，福建福州人，助教。研究方向:電機(jī)控制。