郝玲玲，瞿成明，喬永鳴（安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽蕪湖241000）

無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)起動(dòng)方式研究

郝玲玲，瞿成明，喬永鳴
（安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽蕪湖241000）

無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)通常采用端電壓法檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，但當(dāng)電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速很低時(shí)，由于反電勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，因此無(wú)法檢測(cè)到反電勢(shì)的值。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種基于三段式起動(dòng)的120°觸發(fā)器和瞬時(shí)切換的他控式起動(dòng)方法。在Matlab/Simulink環(huán)境下建立無(wú)刷直流電機(jī)的仿真模型，通過(guò)其中的120°觸發(fā)器模塊、切換模塊以及時(shí)鐘信號(hào)來(lái)完成無(wú)刷直流電機(jī)的順利起動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該起動(dòng)方法的有效性。

無(wú)刷直流電機(jī)；反電動(dòng)勢(shì)；起動(dòng)；Matlab/Simulink

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)刷直流電機(jī)（brushless DCmotor，BLDC）的優(yōu)勢(shì)更加明顯，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，例如在航空航天、醫(yī)療設(shè)備、家用電器、電動(dòng)車和機(jī)器人等一些重要領(lǐng)域，因此完善無(wú)刷直流電機(jī)各方面性能以及優(yōu)化控制方法成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。由于位置傳感器增加了電機(jī)的成本和體積，而且控制系統(tǒng)易受外部環(huán)境干擾，因此，一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者深入研究了無(wú)位置傳感器控制的無(wú)刷直流電機(jī)。無(wú)位置傳感器控制的關(guān)鍵部分是轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)，其主要方法有反電動(dòng)勢(shì)法、電感檢測(cè)法、狀態(tài)觀測(cè)器法、磁鏈估計(jì)法、人工智能法等［1］。這些轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。研究人員對(duì)基于轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的無(wú)位置控制方法進(jìn)行了不斷完善，但盡管如此，無(wú)位置傳感器BLDC的自起動(dòng)問(wèn)題一直是當(dāng)前無(wú)刷直流電機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了三段式起動(dòng)、預(yù)定位方式起動(dòng)、硬軟件升頻升壓同步起動(dòng)、智能起動(dòng)、短時(shí)檢測(cè)脈沖轉(zhuǎn)子定位起動(dòng)、外同步驅(qū)動(dòng)方式起動(dòng)等多種起動(dòng)方法。這些起動(dòng)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用不同的應(yīng)用場(chǎng)合，但一般都會(huì)存在轉(zhuǎn)子初始位置精度不高、起動(dòng)抖動(dòng)等缺點(diǎn)［2-3］。為了能使無(wú)位置傳感器BLDC順利起動(dòng)，同時(shí)能夠提高定位精確度以及改善其起動(dòng)性能，本文提出了一種基于三段式起動(dòng)的外同步他控式起動(dòng)方法。此方法主要通過(guò)120°觸發(fā)器與瞬時(shí)切換裝置以及時(shí)鐘信號(hào)和一些關(guān)鍵模塊的閾值來(lái)控制BLDC起動(dòng)。

根據(jù)BLDC無(wú)位置傳感器控制原理以及相關(guān)方程式在Matlab/Simulink環(huán)境下建立控制系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)其中的起動(dòng)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試，設(shè)置合適的閾值來(lái)控制電機(jī)正常起動(dòng)。同時(shí)無(wú)位置傳感器控制的BLDC仿真模型采用了S-Function，不僅系統(tǒng)執(zhí)行速度快，而且結(jié)合C語(yǔ)言優(yōu)勢(shì)使模塊的功能更容易實(shí)現(xiàn)。

1　反電勢(shì)檢測(cè)方法

當(dāng)轉(zhuǎn)子極性改變時(shí)，反電勢(shì)波形正負(fù)也隨著改變，因此只要測(cè)出反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)就可以確定轉(zhuǎn)子位置，再通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)來(lái)控制換相［4］。三相星型聯(lián)接的BLDC以兩兩導(dǎo)通方式運(yùn)行，每一瞬間導(dǎo)通兩個(gè)功率管，其驅(qū)動(dòng)原理如圖1所示。每60°換相一次，一個(gè)周期內(nèi)換相6次，每次導(dǎo)通120°電角度，由于反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)與正確的換相時(shí)間相差了30°電角度，因此需將此信號(hào)延遲30°電角度來(lái)獲得換相點(diǎn)［5-6］。各功率管導(dǎo)通順序：V6V1，V1V2，V2V3，V3V4，V4V5，V5V6，…，相應(yīng)的三相繞組通電順序依次為［6-7］：AB，AC，BC，BA，CA，CB，…。

圖1　BLDC反電勢(shì)法驅(qū)動(dòng)原理

通過(guò)無(wú)刷電機(jī)電壓平衡方程［7-8］：

以及圖1的原理框圖可以列出三相定子繞組的端電壓方程組［8］：

式中uN為中性點(diǎn)電壓。先導(dǎo)通VT1和VT6，斷開(kāi)C相，則ia=-ib，ic=0。當(dāng)C相反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，ea+eb+ec=0，從而帶入式（2）化簡(jiǎn)可得：

利用反電勢(shì)檢測(cè)電路將端電壓經(jīng)電阻分壓濾波后得到檢測(cè)信號(hào)，再將它們分別與電機(jī)模擬中性點(diǎn)電壓比較，得到標(biāo)準(zhǔn)方波，最后延時(shí)30°后作為換相信號(hào)［8-9］。該電路簡(jiǎn)單可靠，省去了對(duì)電機(jī)中性點(diǎn)的電壓的計(jì)算。

2　BLDC起動(dòng)方法

由于反電勢(shì)與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)電機(jī)在低速或靜止的情況下無(wú)法檢測(cè)到反電勢(shì)，因此無(wú)法確定轉(zhuǎn)子位置。針對(duì)這一問(wèn)題，在三段式起動(dòng)方法的基礎(chǔ)上提出了120°導(dǎo)通逆變器閾值切換的起動(dòng)方法。該方法執(zhí)行速度快，簡(jiǎn)單可靠，能使電機(jī)盡快檢測(cè)到反電勢(shì)的值，從而切換到閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。

三段式起動(dòng)過(guò)程包括定位、加速和切換［10-11］。首先，按照他控式同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)由靜止開(kāi)始加速，一直加速到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速足夠大，當(dāng)電動(dòng)機(jī)滿足切換條件時(shí)，再切換到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，因此解決靜止起動(dòng)和同步切換是三段式起動(dòng)方法的關(guān)鍵。

轉(zhuǎn)子預(yù)定位時(shí)盡量保持兩相繞組有一定的通電間隔。轉(zhuǎn)子定位后，并不是立即靜止不動(dòng)，而是圍繞平衡點(diǎn)擺動(dòng)［11］。當(dāng)外加電壓不變時(shí)，外同步加速通過(guò)減小電機(jī)的換相時(shí)間來(lái)進(jìn)行，加速過(guò)程中應(yīng)控制好換相時(shí)間，盡可能地接近電機(jī)的最佳換相邏輯，以防換相失敗。出于安全考慮，加速過(guò)程中所施外加電壓的占空比為10%并保持不變，同時(shí)也要控制外電壓大小和檢測(cè)繞組電流［12］。最后采用估算的方式選擇切換速度，一般為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的15%～20%［11-12］。

3　建立控制系統(tǒng)框圖

電機(jī)靜止時(shí)，通過(guò)120°導(dǎo)通逆變器來(lái)觸發(fā)相應(yīng)的功率管導(dǎo)通。開(kāi)環(huán)過(guò)程持續(xù)一個(gè)或幾個(gè)換相周期后，當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速，反電勢(shì)達(dá)到一定的大小時(shí)，通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)控制切換模塊中的閾值（通過(guò)實(shí)驗(yàn)反復(fù)調(diào)試與估算給切換模塊輸入合適的時(shí)間），使電機(jī)從外同步切換到自同步狀態(tài)，即切換到無(wú)位置傳感器控制的無(wú)刷直流電機(jī)閉環(huán)控制狀態(tài)［13］。圖2是無(wú)刷直流電機(jī)在起動(dòng)和運(yùn)行期間的原理框圖，其操作順序如圖中各模塊關(guān)系所示，圖3是無(wú)位置傳感器BLDC起動(dòng)流程。

圖2　BLDC起動(dòng)方案原理框圖

圖3　無(wú)位置傳感器BLDC起動(dòng)流程

4　建立系統(tǒng)仿真模型

在Matlab/Simulink環(huán)境下，建立三相BLDC起動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示。采用模塊化建模，將整個(gè)起動(dòng)控制系統(tǒng)分成各個(gè)功能獨(dú)立的子模塊，包括BLDC本體模塊、逆變模塊、切換模塊、120°觸發(fā)器模塊以及反電勢(shì)檢測(cè)模塊。根據(jù)BLDC數(shù)學(xué)模型，主要從電壓平衡方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程等幾個(gè)方面建立BLDC本體的仿真模型。

起初，無(wú)刷直流電機(jī)停滯不轉(zhuǎn)，不能立刻建立反電勢(shì)，通過(guò)120°觸發(fā)器模塊先觸發(fā)導(dǎo)通其中的某兩相，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向預(yù)定位置，接著進(jìn)行開(kāi)環(huán)加速。如圖5所示的觸發(fā)器子模塊模型根據(jù)脈沖信號(hào)來(lái)依次觸發(fā)相應(yīng)的晶體管，其觸發(fā)順序?yàn)椋篤6V1，V1V2，V2V3，V3V4，V4V5，V5V6，…，通過(guò)縮短它們導(dǎo)通狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間來(lái)使電機(jī)提速一段時(shí)間，最后由轉(zhuǎn)換模塊中的閾值時(shí)間來(lái)切斷觸發(fā)器使電機(jī)切換到閉環(huán)狀態(tài)［14-15］。

圖4　無(wú)位置傳感器BLDC起動(dòng)控制系統(tǒng)仿真模型

圖5中切換模塊是通過(guò)3個(gè)switch模塊實(shí)現(xiàn)的，中間的switch控制信號(hào)，這里給出一個(gè)閾值時(shí)間作為控制條件。當(dāng)控制信號(hào)u2小于這個(gè)閾值時(shí)間時(shí)，接通下面接口，根據(jù)圖5中120°觸發(fā)器模塊觸發(fā)脈沖導(dǎo)通相應(yīng)功率管進(jìn)行換相；否則接通上面接口，這時(shí)就由切換模塊根據(jù)閾值切斷觸發(fā)器模塊，從開(kāi)環(huán)狀態(tài)切換到閉環(huán)狀態(tài)。

圖5　切換模塊和觸發(fā)器模塊的子模塊模型

5　仿真結(jié)果

三相BLDC仿真模型的相關(guān)參數(shù)為：P=4，繞組自感L=2.45 mH，繞組互感M=-1.34 mH，相電阻r=0.65Ω，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=0.05 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.001 86 kg·m2，額定轉(zhuǎn)速nN=3 800 r/ min，額定電壓uN=48 V，輸入電壓u=150 V。

圖6顯示的是BLDC無(wú)位置傳感器起動(dòng)控制中的120°觸發(fā)器的觸發(fā)脈沖波形圖，通過(guò)觸發(fā)脈沖來(lái)觸發(fā)晶體管。圖6中箭頭所示為起動(dòng)階段，右邊是起動(dòng)時(shí)間內(nèi)觸發(fā)信號(hào)放大圖，通過(guò)觸發(fā)器模塊觸發(fā)導(dǎo)通兩個(gè)功率管（如圖6所示的起動(dòng)階段觸發(fā)導(dǎo)通B相和C相上的功率管），實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子預(yù)定位。

圖6　觸發(fā)脈沖波形及其起動(dòng)階段放大圖

圖7顯示的是BLDC三相反電動(dòng)勢(shì)波形及其起動(dòng)階段放大圖，從圖中可以直觀看出：當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)無(wú)法獲得反電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)起動(dòng)方法進(jìn)行轉(zhuǎn)子預(yù)定位、加速和切換，在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下電機(jī)處于盲目活躍狀態(tài)，一段時(shí)間后，直到獲得充足的反電勢(shì)，通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊切換至閉環(huán)狀態(tài)，從而使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，由此證明了該控制理論的正確性。

圖7　反電動(dòng)勢(shì)波形及其起動(dòng)階段放大圖

從圖8的放大圖可以看出速度與轉(zhuǎn)子位置變化比較平穩(wěn)，轉(zhuǎn)子從靜止緩慢移向預(yù)定位置，之后開(kāi)始加速，轉(zhuǎn)子角度逐漸增大。由于不能立刻建立反電勢(shì)，電機(jī)盲目加速一段時(shí)間后，連續(xù)檢測(cè)到反電勢(shì)信號(hào)，滿足切換條件后切換到閉環(huán)狀態(tài)，起動(dòng)階段電機(jī)的轉(zhuǎn)矩保持恒定。由于轉(zhuǎn)矩與磁場(chǎng)強(qiáng)弱、電流有關(guān)，所以反電勢(shì)變化體現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)矩的變化。

圖8　轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)矩波形及其起動(dòng)階段放大圖

6　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)無(wú)位置傳感器控制的BLDC存在的起動(dòng)問(wèn)題提出了一種基于三段式起動(dòng)的120°導(dǎo)通閾值切換的起動(dòng)方法，它主要通過(guò)觸發(fā)器模塊、切換模塊以及時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)起動(dòng)。根據(jù)BLDC的數(shù)學(xué)模型建立仿真模型，結(jié)合狀態(tài)空間與S函數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了無(wú)位置傳感器BLDC的順利起動(dòng)，證明了該控制方法的有效性。但是如果初始換相時(shí)間過(guò)小，第2次換相來(lái)臨前電機(jī)未到達(dá)相應(yīng)位置，而換相命令又觸發(fā)，則會(huì)使電機(jī)發(fā)生連續(xù)抖動(dòng)或者發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象；如果初始換相時(shí)間過(guò)大，電機(jī)到達(dá)指定位置還未有換相指令，則電機(jī)會(huì)停頓并因慣性在原處抖動(dòng)，增加不穩(wěn)定因素，因此需要嚴(yán)格控制換相時(shí)間。

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（責(zé)任編輯楊黎麗）

Research on Starting W ay for Sensorless Brushless DC M otor

HAO Ling-ling，QU Cheng-ming，QIAO Yong-ming
（College of Electrical Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China）

The sensorless brushless dc motor usually uses the method of terminal voltage detecting back em f's zero-crossing point to detect the rotor position，butwhenmotor is static or the rotor speed is very low，it is difficult to detect the back emf's value because of it is proportional to the speed.In order to solve this problem，a new start-up method based on three-step starting was designed by controlling 120°trigger and instantaneous switch.In MATLAB/SIMULINK，brushless dc motor simulation modelwas established by the 120°triggermodule，switch module and the clock signal to complete the smooth starting.The experimental results illustrate the effectiveness of the proposed starting method.

brushless DCmotor；back EMF；start；Matlab/Simulink

TM301.2

A

1674-8425（2015）05-0119-05

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.05.021

2015-02-16

安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目“基于DSP的多電機(jī)同步網(wǎng)絡(luò)控制研究”（KJ2011A029）

郝玲玲（1989—），女，江蘇淮安人，碩士研究生，主要從事無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制研究。

郝玲玲，瞿成明，喬永鳴.無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)起動(dòng)方式研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015（5）：119-123.

format：HAO Ling-ling，QU Cheng-ming，QIAO Yong-ming.Research on StartingWay for Sensorless Brushless DC Motor［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（5）：119-123.