胡發(fā)煥， 任志斌， 潘春榮

(江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000)

0 引 言

無(wú)刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor, BLD-CM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好、效率高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，克服了直流電機(jī)有電刷的缺陷，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)、醫(yī)療機(jī)械等領(lǐng)域。BLDCM安裝位置傳感器，在一定程度上增加了電機(jī)的體積和成本，但降低了電機(jī)系統(tǒng)的可靠性。因此，使BLDCM在無(wú)位置傳感器條件下能正常工作具有重要意義。要使BLDCM在無(wú)位置傳感器條件下正常工作，獲取電機(jī)的起動(dòng)和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)是須解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

1 無(wú)位置傳感器BLDCM的起動(dòng)控制

BLDCM無(wú)位置傳感器條件下常用的起動(dòng)方式有： 預(yù)定位起動(dòng)法、三段式起動(dòng)法、升壓式起動(dòng)法、短時(shí)轉(zhuǎn)子脈沖檢測(cè)定位法等。

1.1 無(wú)位置傳感起動(dòng)方式的比較

(1) 預(yù)定位起動(dòng)法[1]。其優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)程序簡(jiǎn)單，但給預(yù)定線圈通電時(shí)，易產(chǎn)生震動(dòng)，一般適合空載起動(dòng)；(2) 三段式起動(dòng)法[2]。其優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)平緩，但受負(fù)載和外設(shè)電壓等條件影響較大，穩(wěn)定性不夠好；(3) 升頻升壓式起動(dòng)法[3]。其對(duì)電壓和切換時(shí)間沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但需附加起動(dòng)電路，加大了電機(jī)的體積和生產(chǎn)成本。(4) 短時(shí)轉(zhuǎn)子脈沖檢測(cè)定位法。其利用線圈電感的大小受電機(jī)磁路飽和影響的原理，在電機(jī)靜止或低速狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，對(duì)定子繞組施加不同方向的短時(shí)脈沖電壓矢量，通過(guò)檢測(cè)不同電壓矢量下直流母線的峰值電流，來(lái)確定轉(zhuǎn)子的位置。

本文采取短時(shí)轉(zhuǎn)子脈沖檢測(cè)定位法進(jìn)行起動(dòng)和低速時(shí)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)。

1.2 短時(shí)脈沖檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置法

由BLDCM的原理可知，其按一定的順序給定子線圈輪流通電，使定子內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，通過(guò)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)的相互作用，使轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。三相全橋式BLDCM主電路原理圖如圖1所示。

圖1 三相全橋式BLDCM主電路原理圖

由圖1可知，根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管不同的開(kāi)關(guān)組合，對(duì)于三組場(chǎng)效應(yīng)管，構(gòu)成6種不同短時(shí)脈沖電壓矢量U1(1,0,0)、U2(1,1,0)、U3(0,1,0)、U4(0,1,1)、U5(0,0,1)、U6(1，0,1)(1表示該組的上橋臂導(dǎo)通，0則表示該組的下橋臂導(dǎo)通)，6個(gè)矢量將轉(zhuǎn)子所處的360°電角度分成6等份，轉(zhuǎn)子靜止和低速狀態(tài)下位置判斷原理圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子靜止和低速狀態(tài)下位置判斷原理圖

在圖2中，P(x，y)(x=1、2、3、4、5、6，y=1、2、3、4、5、6，x≠y)將脈沖電壓矢量Ux分成約30°的區(qū)間。

當(dāng)電機(jī)處于靜止或低速運(yùn)行時(shí)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行位置檢測(cè)。為了減小施加的脈沖電壓矢量對(duì)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子間氣隙磁場(chǎng)的影響，脈沖電壓的施加順序應(yīng)盡量相距大的間隔。本文按照U1、U4、U2、U5、U3、U6的順序依次施加到三相繞組上。在每個(gè)脈沖電壓矢量作用某一固定時(shí)間T，并對(duì)母線的電流進(jìn)行檢測(cè)。將檢測(cè)的電流結(jié)果存入與電壓矢量編號(hào)相同的數(shù)組i[n](n=1,2,3,4,5,6)中，比較電流值i[n]的大小，其最大值即為轉(zhuǎn)子所在的位置。例如i[6]為最大值，則表示是轉(zhuǎn)子處在U6所對(duì)應(yīng)方向?yàn)橹行牡那昂?0°的區(qū)域內(nèi)。再比較i[1]和i[5]的大小，若i[1]>i[5]，則表示轉(zhuǎn)子處于P(6，1)所對(duì)應(yīng)的30°范圍內(nèi)，反之，則轉(zhuǎn)子處P(6，5)的范圍內(nèi)；若兩電流相等，則處于U6的正中間位置。判斷出轉(zhuǎn)子的位置后，按照換相表進(jìn)行換相，使電機(jī)起動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值，檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)后，即退出起動(dòng)程序進(jìn)入正?？刂瞥绦?。

2 無(wú)位置傳感器條件下轉(zhuǎn)子信號(hào)的獲取

2.1 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的獲取方法

BLDCM在無(wú)位置傳感器的情況下，有多種方法獲取轉(zhuǎn)子的位置： (1) 二極管續(xù)流法[4]。該方法靈敏度較好，但檢測(cè)電路和控制程序復(fù)雜、成本高。(2) 磁鏈法[5]。該方法檢測(cè)誤差較小，但受電機(jī)本身參數(shù)影響大，低速時(shí)易產(chǎn)生累積誤差。(3) 電感法[6]。其對(duì)軟件、硬件都要求較高，適用于具有凸極效應(yīng)的無(wú)刷直流電機(jī)。(4) 智能法[7]。該方法檢測(cè)精度較高，但其系統(tǒng)復(fù)雜、成本高。(5) 反電動(dòng)勢(shì)法。其優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便。

在各種無(wú)位置傳感器的檢測(cè)方法中，反電動(dòng)勢(shì)法最易實(shí)現(xiàn)、計(jì)算量小、成本最低。但反電動(dòng)勢(shì)法的主要缺點(diǎn)有： (1) 反電動(dòng)過(guò)零點(diǎn)后，要再延π/6的電角度才換相，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同其所延時(shí)間也不同，難以得到精確時(shí)延時(shí)間。(2) 電機(jī)在低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)小，難以得到有效的位置信號(hào)。(3) 電機(jī)有3路反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，采用定時(shí)中斷查詢的方式檢測(cè)，易產(chǎn)生延時(shí)判斷。

本文在采用反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)控制電路和程序的改進(jìn)，在低成本條件下，既保留了原有的優(yōu)點(diǎn)，又克服其缺點(diǎn)，能準(zhǔn)確獲得轉(zhuǎn)子的位置信息，取得良好的控制效果。

2.2 相電壓反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法的工作原理

BLDCM由三相逆變橋驅(qū)動(dòng)，電機(jī)采用Y形接法。為產(chǎn)生最大的平均轉(zhuǎn)矩，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的不同，在一個(gè)電角度周期中，有6個(gè)換相狀態(tài)。在任意時(shí)刻，電機(jī)三相繞組中都只有兩相導(dǎo)通，換相的時(shí)刻取決于轉(zhuǎn)子位置，不導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)后，再延時(shí)30°的電角度即為該相的換相時(shí)刻。

本文忽略BLDCM齒槽效應(yīng)和電樞反應(yīng)，且認(rèn)為電機(jī)繞組電感是不隨時(shí)間變化的常量，三相繞組電壓方程可以表示為

(1)

式中：uA、uB、uC——相繞組對(duì)電源地的電壓；

iA、iB、iC——定子相電流；

eA、eB、eC——定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)；

uN——電機(jī)中性點(diǎn)對(duì)電源地的電壓；

R、L、M——相繞組的電阻、電感和互感。

電機(jī)繞組采用Y形接法，則存在關(guān)系

iA+iB+iC=0

(2)

uN=(uA+uB+uC)/3

(3)

電機(jī)繞組采用二二導(dǎo)通三相六狀態(tài)的PWM控制方式。電機(jī)繞組的反電動(dòng)勢(shì)不能直接測(cè)量，需通過(guò)計(jì)算間接取得。假設(shè)某一時(shí)刻VT1和VT6導(dǎo)通，則A、B兩相的電流大小相等方向相反，而C相電流為0，故有

uC=eC+uN，即：

eC=uC-uN=

uC-(uA+uB+uC)/3

(4)

同理,可得

eB=uB-(uA+uB+uC)/3

(5)

eA=uA-(uA+uB+uC)/3

(6)

2.3 相電壓過(guò)零點(diǎn)信號(hào)的獲取

在Y形接法中，反電動(dòng)勢(shì)波形隨轉(zhuǎn)子位置角呈2π/3電角度平頂寬梯形分布，反電動(dòng)勢(shì)及過(guò)零點(diǎn)波形圖如圖3所示。為得到各相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零狀況，把三相電壓接入相電壓過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路，如圖3所示。

圖3 相電壓過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路

在圖3的電路中，R1～R6阻值相等，通過(guò)分析其電路可得M點(diǎn)電壓為(uA+uB+uC)/3，即uM=uN。M點(diǎn)和3個(gè)運(yùn)算放大器的“-”相接，3個(gè)運(yùn)算放大電路的“+”端通過(guò)電阻分別和電路的A、B、C相相連，運(yùn)算放大器沒(méi)有接負(fù)反饋電路，工作在比較放大狀態(tài)，其放大倍數(shù)很大。

以運(yùn)算放大器a為例，當(dāng)eA>0，即uA>(uA+uB+uC)/3時(shí)，Ea輸出高點(diǎn)平，反之則Ea輸出低電平。于是分別得到A、B、C三相的反電動(dòng)勢(shì)與中點(diǎn)電壓的比較信號(hào)Ea、Eb和Ec，其電壓波形如圖4所示。

圖4 反電動(dòng)勢(shì)及過(guò)零點(diǎn)波形圖

圖4中，邊緣電平即為反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻：Ea電平的上升沿為eA由負(fù)值變正值的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻；Ea的下降沿為eA由正值進(jìn)入負(fù)值的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，同樣Eb、Ec的上升沿、下降沿分別為eB、eC的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻。采用運(yùn)算放大比較器作為反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是比較器的放大倍數(shù)大，即使在BLDCM低速運(yùn)行反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)弱的情況下，Ea、Eb、Ec也能輸出正確的波形，確保了控制系統(tǒng)在較低轉(zhuǎn)速情況下也能正常工作。

在采取反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的方法中，在某相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)后，再延時(shí)30°的相位角為換相時(shí)刻，因此在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)必須以很高的采樣頻率檢測(cè)電機(jī)的反電勢(shì)信號(hào)，這樣即使采用主頻較高的控制器，也很難實(shí)時(shí)得到精確的位置信號(hào)，而精確延時(shí)30°相位角也很困難。針對(duì)反電勢(shì)控制方式的缺陷，本文利用硬件電路和C8051F310單片機(jī)的比較中斷功能，很好地解決該問(wèn)題。

先把Ea、Eb、Ec3個(gè)信號(hào)經(jīng)比較中斷電路進(jìn)行2次異或運(yùn)算，即得到Ea、Eb、Ec的合成信號(hào)Ed。Ed的波形如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，Ed的電平變化剛好反映了Ea、Eb、Ec3個(gè)信號(hào)的電平變化，即Ed的上升沿和下降降沿對(duì)應(yīng)BLDCM各相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零時(shí)刻。

先把Ed信號(hào)接入C051F31比較電路的CP0+相接。比較中斷電路圖如圖5所示。而CP0-接入2.5V的直流電壓，接成比較中斷，比較中斷方式觸發(fā)設(shè)置成上升沿和下降沿中斷。這樣每次有反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，即產(chǎn)生比較中斷，通過(guò)中斷的方式準(zhǔn)確獲得反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，而不需以高頻率查詢的方式獲取反電勢(shì)信號(hào)的變化。BLDCM每次反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的間隔為60°相位角，而過(guò)零點(diǎn)后延30°的相位角即為繞組的換相時(shí)刻。這樣每次進(jìn)入比較中斷后，再延時(shí)上次中斷間隔時(shí)間的一半，即為繞組的換相時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確換相。

圖5 比較中斷電路圖

3 無(wú)位置傳感器BLDCM的控制策略

BLDCM無(wú)位置傳感器控制流程如圖6所示。在電機(jī)完成起動(dòng)后，得到反電動(dòng)勢(shì)的合成信號(hào)Ed。當(dāng)Ed的第1個(gè)邊沿觸發(fā)到來(lái)時(shí)，進(jìn)入CP0中斷，此時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器T0開(kāi)始進(jìn)行計(jì)時(shí)后，退出中斷。當(dāng)Ed的第2個(gè)邊沿脈沖時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入CP0中斷，讀取T0的值t，再使T0重新計(jì)時(shí)，并用換相時(shí)間間隔t/2裝載T1，使T1進(jìn)行計(jì)時(shí)中斷，再退出CP0中斷。當(dāng)T1到達(dá)中斷時(shí)間進(jìn)入中斷時(shí)，即為換相時(shí)刻，根據(jù)BLDCM當(dāng)前三相反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)EA、EB、EC的值，查找換相表進(jìn)行換相，再退出T1中斷。之后等待下一次CP0中斷，讀取T0的t，使T0重新計(jì)時(shí)，用t/2裝載T1，使T1進(jìn)行計(jì)時(shí)中斷。重復(fù)上述步驟，使電機(jī)在無(wú)位置傳感器的條件下正常運(yùn)行。

圖6 BLDCM無(wú)位置傳感器控制流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

本文采用的測(cè)試電機(jī)基本參數(shù)： 相電阻r=2.43Ω，電感L=4.52mH，極對(duì)數(shù)為12，額定電壓為48V。在電機(jī)起動(dòng)，檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置時(shí)，施加的脈沖電壓時(shí)間為450μs,占空比為100%，不同電壓矢量間隔6ms。依次施加6個(gè)電壓矢量，并比較電流大小，從而得到轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到閾值后，由電路檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)Ea、Eb和Ec，再由比較中斷電路得到3個(gè)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)合成信號(hào)Ed，把Ed信號(hào)作為C8051F310單片機(jī)比較中斷的一個(gè)輸入端，產(chǎn)生比較中斷，按流程控制電機(jī)的正常運(yùn)行。使電機(jī)在有位置傳感器狀態(tài)下運(yùn)行，比較中斷電路把3個(gè)霍爾傳感器信號(hào)合成一路信號(hào)，并與反電動(dòng)勢(shì)的合成信號(hào)進(jìn)行比較，得到兩個(gè)信號(hào)的比較波形圖，如圖7所示。由圖7可知，在每個(gè)換相時(shí)刻，反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)比位置傳感器信號(hào)都滯后30°。對(duì)電機(jī)在有位置傳感器和無(wú)位置傳感器的條件下進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如表1所示。從圖7和表1的試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，本文所設(shè)計(jì)的BLDCM無(wú)位置傳感

器控制方案能準(zhǔn)確控制電機(jī)的運(yùn)行，其控制效果與有位置傳感器基本一致。

圖7 反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)與位置傳感器信號(hào)波形圖

表1 電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)值對(duì)比結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的BLDCM無(wú)位置傳感器控制方案通過(guò)硬件電路和軟件程序的改進(jìn)，使BLDCM能在無(wú)位置傳感器或位置傳感器失效的情況下，使電機(jī)能良好、可靠地運(yùn)行，控制方案還具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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