尹成科，談雪丹

(1.蘇州大學，蘇州 215021； 2.蘇州同心醫(yī)療器械有限公司，江蘇蘇州215125)

?

人工心臟無位置傳感器無刷直流電動機非導通相端電壓分析

尹成科1，談雪丹2

(1.蘇州大學，蘇州 215021； 2.蘇州同心醫(yī)療器械有限公司，江蘇蘇州215125)

人工心臟無位置傳感器無刷直流電動機輕載時，通過采集PWM關(guān)閉期間的非導通相端電壓來獲取反電勢過零點存在一定的局限。以逆變橋上管PWM調(diào)制、下管恒通的控制方法為例，理論分析了非導通相端電壓在PWM導通與關(guān)斷期間的波形，并進行了實驗。結(jié)果表明，在PWM關(guān)閉階段，非導通相端電壓會受到導通相懸空、非導通相嵌位等影響發(fā)生波動，反電勢采集時需加以注意，避免引起換相故障。

人工心臟；無位置傳感器無刷直流電動機；非導通相端電壓

0 引 言

人工心臟作為一種植入式醫(yī)療器械，通過輔助或替代衰弱的心臟實現(xiàn)泵血功能，是目前一種無法替代的最終治療手段[1]。作為人工心臟的核心部件之一，電機的體積和性能對人工心臟的影響巨大。無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)因其結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速性能好、控制簡單等特點[2]，在人工心臟領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛。

BLDCM電子換相是否精準直接影響電機的性能，電子換相的依據(jù)是轉(zhuǎn)子位置是否過零點[3]。直接反電勢法[4-6]采用逆變器上橋臂PWM調(diào)制、下橋臂恒通(H-PWM-L-ON)控制策略，在PWM打開期間，非導通相端電壓為該相繞組反電勢疊加某偏置電壓，而在PWM關(guān)斷期間，非導通相端電壓近似為該相繞組的反電勢。因此在PWM打開或關(guān)閉階段采集非導通相端電壓，通過分析可以得到反電勢過零點信號。該方法無需采用額外的位置傳感器，體積小，可得到無相位滯后的反電勢過零點信息，相對傳統(tǒng)檢測方法，它具有反電勢過零點檢測準確、電機運行高效平穩(wěn)等優(yōu)點，適合應(yīng)用于人工心臟BLDCM使用。

目前直接反電勢法多數(shù)是基于PWM關(guān)閉時導通相維持續(xù)流狀態(tài)、非導通相的端電壓平穩(wěn)的假設(shè)。然而人工心臟在輔助天然心臟過程中，會感受到人體天然心臟搏動的沖擊，載荷在輕載到滿載之間變化。人工心臟在輕載或空載運行時，PWM占空比較低，電機繞組內(nèi)的電流較小，可能會有PWM關(guān)閉時導通相續(xù)流結(jié)束的狀態(tài)存在。同時，非導通相則可能出現(xiàn)因反電勢幅值變化導致其上下橋臂的二極管導通，產(chǎn)生被嵌位現(xiàn)象。上述現(xiàn)象都會引起非導通相端電壓產(chǎn)生波動，影響反電勢過零點判斷。為此，本文以人工心臟電機為應(yīng)用對象，從理論上分析非導通相端電壓波形變化情況。實驗結(jié)果顯示，PWM關(guān)閉階段，非導通相端電壓會受到導通相懸空、非導通相嵌位的綜合影響而產(chǎn)生波動，在采集非導通相端電壓采集數(shù)據(jù)時需考慮避開上述波動范圍。

1 BLDCM控制系統(tǒng)

人工心臟電機反電勢為正弦波，采用三相繞組星形接法，驅(qū)動電路采用三相逆變橋結(jié)構(gòu)，控制采用二二導通、三相六狀態(tài)、H-PWM-L-ON的策略，驅(qū)動控制簡化圖如圖1所示。在運行過程中每相繞組導通120°電角度，任意時刻只有兩相繞組通電，第三相繞組處于非導通狀態(tài)。每一個PWM周期內(nèi)，電機控制器只采集一次非導通相端電壓，低占空比時在PWM關(guān)斷(PWM-OFF)階段采集，高占空比時在PWM打開(PWM-ON)階段采集。從所采集的非導通相端電壓中提取反電勢過零點時刻，指導電機正確換相。由于換相時續(xù)流會導致非導通相端電壓波形異常，通常該階段時間較短，因此等待此續(xù)流階段結(jié)束，再進行反電勢過零點信息處理。基于此，本文不考慮換相續(xù)流階段的情形，僅對非換相續(xù)流階段的非導通相端電壓波形進行分析。

圖1 電機驅(qū)動控制簡化圖

2 非導通相端電壓分析

假設(shè)圖1中A相與B相通電、C相非導通，對非導通相C相端電壓展開分析。其中，A相上管為PWM調(diào)制，B相下管恒導通。假設(shè)MOS管導通壓降Vmos相等，電機繞組參數(shù)相同。

2.1 PWM-ON期間

PWM-ON期間，VT1,VT4導通，C相繞組懸空，如圖2所示。中性點電壓VN與C相端電壓計算如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

化簡可得：

(5)

非導通相C相端電壓為中性點電壓與C相反電勢之和，即：

(6)

圖2 PWM-ON等效電路

2.2PWM-OFF進入續(xù)流階段

2.2.1 非導通相懸空

PWM-OFF期間，VT1關(guān)斷，VD2導通進行續(xù)流，VT4維持導通。假設(shè)C相懸空，即C相端電壓滿足下式：

(7)

此時C相的VD5，VD6均截止，如圖 3所示。有：

(8)

(9)

化簡得：

(10)

(11)

將式(11)代入式(7)得：

(12)

圖3 PWM-OFF續(xù)流期間，非導通相懸空的等效電路

2.2.2非導通相嵌位

VT1關(guān)斷，VD2續(xù)流期間，若C相端電壓不滿足式(7)，VD5或VD6導通，C相端電壓具體如下：

(a) VD6導通

(b) VD5導通

2.3PWM-OFF續(xù)流結(jié)束階段

當電機不帶載或輕載運行時，一個PWM周期內(nèi)可能出現(xiàn)電流續(xù)流及續(xù)流結(jié)束的狀態(tài)。

2.3.1非導通相懸空

PWM-OFF期間，VT4維持導通，VD2續(xù)流結(jié)束后截止，A相進入懸空狀態(tài)。當C相端電壓滿足式(7)時，C相懸空，如圖 5所示，則有：

(13)

如果eB超前于eC120°電角度，則-eB+eC滯后于eC30°電角度，當C相端電壓為Vmos時，已經(jīng)距離C相反電勢過零點滯后30°，應(yīng)立即換相。

如果eB滯后于eC120°電角度，則-eB+eC超前于eC30°電角度，當C相端電壓為Vmos時，理論上需延遲60°換相。

圖5 PWM-OFF續(xù)流結(jié)束，非導通相懸空的等效電路

2.3.2 非導通相嵌位

PWM-OFF期間，A相續(xù)流結(jié)束后，若C相端電壓不滿足式(7)時，C相端電壓將被嵌位。

1) 當VC≤-VD時，VD6導通，C相端電壓被嵌位至-VD，如圖 6(a)所示。

2) 當VC≥VS+VD時，VD5導通，C相端電壓被嵌位至VS+VD，如圖 6(b)所示。

(a) VD6導通

(b) VD5導通

由上文分析可知，PWM-OFF期間，當非導通相C相端電壓被嵌位至-VD或者被嵌位至VS+VD時，無論導通相是否處于續(xù)流狀態(tài)，C相反電勢均不會出現(xiàn)過零點。當非導通相懸空時，則必須區(qū)分導通相是否續(xù)流，來選擇式(12)或者式(13)作為過零判斷依據(jù)。人工心臟電機采用轉(zhuǎn)速環(huán)控制，當電機輸出PWM值為一個較小值時，如果載荷大，則實際轉(zhuǎn)速低，反電勢小，續(xù)流時間較長；如果載荷小，則實際轉(zhuǎn)速高，反電勢大，續(xù)流時間較短。因此，僅依據(jù)電機PWM輸出值，無法精確獲悉續(xù)流狀態(tài)以及確定合適的PWM-OFF采樣時刻。可以將PWM值與電機轉(zhuǎn)速相結(jié)合，僅在電機工作在低轉(zhuǎn)速并且輸出低PWM值時，采用PWM-OFF采集模式，采樣時刻與PWM關(guān)閉時刻之間的時間間隔略大于電機MOS管的關(guān)斷時間，以保證在導通相續(xù)流時采樣，并依據(jù)式(12)進行反電勢過零判斷；其余情況均采用PWM-ON采集模式。

3 實驗驗證

為了驗證本文對電機非導通相端電壓的分析，進行人工心臟電機空載實驗。電機母線電壓20V，PWM頻率31.25kHz。設(shè)置PWM占空比輸出為12.5%，C相端電壓與C相相電流在一個電周期內(nèi)的波形如圖 7所示。圖中①、⑥為C相下管打開階段，③、④為C相上管打開階段，②、⑤為C相非導通階段。圖 7顯示，在C相非導通階段②、⑤期間內(nèi)，因受其他相影響，C相續(xù)流二極管導通，C相被嵌位，導致C相電流非零。

圖7 一個電周期內(nèi)，C相端電壓與C相相電流

圖 8顯示了A相端電壓先于C相端電壓結(jié)束續(xù)流的情形。其中A相上管PWM調(diào)制，C相非導通。圖8中a為A相續(xù)流階段，c為A相懸空階段；b為C相續(xù)流階段，此期間C相相電流非零；d為C相懸空階段，此期間C相相電流為零。可以看出A相先于C相結(jié)束續(xù)流。由于MOS管存在寄生電容[7]，a階段期間，與A相下管的二極管并聯(lián)的寄生電容將充電；當a結(jié)束至c階段開始，該寄生電容開始放電直至A相繞組懸空為止，期間A相端電壓隨著寄生電容放電而有所波動。同樣，b階段期間，C相下管的二極管導通，同時給其并聯(lián)的寄生電容進行充電；在b結(jié)束至d階段開始之前，該寄生電容放電直至C相繞組懸空，期間C相端電壓有波動，C相相電流非零。

圖8 A相先于C相結(jié)束續(xù)流，A相端電壓、C相端電壓與C相相電流

圖 9為C相端電壓先于A相端電壓結(jié)束續(xù)流的情形。其中A相上管PWM調(diào)制，C相非導通。圖中a為A相續(xù)流階段，c為A相懸空階段；b為C相續(xù)流階段，此期間C相相電流非零；d為C相理論懸空階段，但是由于在此期間A相端電壓經(jīng)歷續(xù)流結(jié)束、寄生電容放電，導致中性點電壓波動，從而使得C相寄生電容進行充放電，其電流產(chǎn)生波動，且超前于C相端電壓的波動。當C相寄生電容完成充放電后，C相繞組懸空，且相電流為零。

圖9 C相先于A相結(jié)束續(xù)流，A相端電壓、C相端電壓與C相相電流

由圖 8、圖 9可知，受導通相續(xù)流的影響，非導通相在PWM-OFF期間波形復雜，PWM-OFF采集時應(yīng)避開波動區(qū)域?？紤]到控制策略的一致性，根據(jù)式(6)、式(12)，可以結(jié)合轉(zhuǎn)速信息、PWM值以及硬件電路特性，設(shè)置成PWM-OFF期間在導通相續(xù)流期間進行反電勢采集，使得在PWM-OFF采集模式與PWM-ON采集模式之間切換時，電機控制器只需調(diào)整采樣時刻與反電勢比較閾值，而維持反電勢過零后延時30°換相處理不變。

4 結(jié) 語

本文分析了人工心臟電機在不同階段下非導通相端電壓與反電勢的關(guān)系，給出采集非導通相端電壓的部分策略。實驗結(jié)果表明人工心臟電機在空載運行情況下，PWM-OFF期間存在導通相懸空或非導通相嵌位的現(xiàn)象，給非導通相端電壓帶來擾動，增加了直接反電勢法檢測PWM-OFF過零點的難度，處理時必須結(jié)合導通相續(xù)流情況，避免誤判反電勢過零點。

[1] 尹成科,談雪丹,渠文波,等.人工心臟磁懸浮系統(tǒng)渦電流位移傳感器的設(shè)計[J]. 傳感器技術(shù)學報, 2012, 25(4):428-431.

[2] 孟光偉,李槐樹,熊浩.無刷直流電機在脈寬調(diào)制下的轉(zhuǎn)矩脈動抑制[J]. 電機與控制應(yīng)用, 2010, 37(5):21-26.

[3] 呂燚,李文生.基于反電勢直接檢測法的無刷直流電動機統(tǒng)計控制系統(tǒng)[J].微特電機,2012,40(6):42-45.

[4] SHAO Jianwen,DENNIS N,THOMAS H.A novel direct back EMF detection for sensorless brushless DC (BLDC) motor drives[C]//AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,2002,1:33-37.

[5] SHAO Jianwen,DENNIS N,THOMAS H.Improved direct back EMF detection for sensorless brushless DC (BLDC) motor drives[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition,2003,1:300-305.

[6] SHAO Jianwen,DENNIS N.Further improvement of direct back EMF detection for sensorless brushless DC (BLDC) motor drives[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition,2005,2:933-937.

[7] 周群.基于ST7MC反電勢過零檢測的電壓暫態(tài)分析及方案改進[J]. 微電機, 2008,41(8):73-75.

Study on Floating Phase Terminal Voltage in Sensorless Brushless DC Motor of Artificial Heart

YIN Cheng-ke1, TAN Xue-dan2

(1.Soochow University,Suzhou 215021,China; 2.CH Biomedical Incorporation, Suzhou 215125,China)

When the sensorless brushless DC motor (BLDCM) of artificial heart is underloaded, there are some limitations in getting back electro-magnetic force (EMF) from the floating phase terminal voltage during the PWM off time. With PWM strategy of upper bridge arm chopping only, the terminal voltage of the floating phase during the PWM on time and the PWM off time was analyzed. The experiments show that, non-excited phase terminal winding voltage is sensitive to both its own diode-clamped states and the floating state of excited phase during the PWM off time. The above states should be taken into account to achieve good commutation performance.

artificial heart; sensorless brushless DC motor; floating phase terminal voltage

2015-12-09

國家青年自然科學基金項目(51407123)；江蘇省高校自然科學研究面上項目(15KJB310020)；江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃(國家級)(201410285035Z)

TM33

A

1004-7018(2016)03-0003-04

尹成科(1980-)，男，博士，講師，研究方向為面向植入式醫(yī)療器械的無線電能傳輸、人工心臟磁懸浮與電機控制。