陳兵兵，張忠祥，周元元

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，魂芯DSP研究院，安徽 合肥 230000)

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直流無刷電機(jī)換相信號的糾錯控制

陳兵兵，張忠祥，周元元

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，魂芯DSP研究院，安徽 合肥 230000)

針對直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的缺相無法運行問題，根據(jù)電機(jī)反電動勢中包含有轉(zhuǎn)子位置信息，提出直流無刷電機(jī)容錯控制系統(tǒng)算法。在分析各種錯誤換相信號下電機(jī)的運行狀況后，將其反電動勢信號進(jìn)行FFT運算，分析其功率譜，根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則識別出錯誤的換相信號，并輸出正確的換相信號，系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，不需要外加電路。最后，利用Matlab/Simulink軟件對所提方法進(jìn)行仿真驗證，實驗結(jié)果表明，該算法能夠使電機(jī)在獲得錯誤的位置信號后繼續(xù)提供正確的換相信號，明顯提升了電機(jī)控制器的整體性能。

直流無刷電機(jī)；Matlab/Simulink；FFT

近年來，三相直流無刷電機(jī)(以下簡稱直流無刷電機(jī))以其良好的動態(tài)性能、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點[1]，在辦公自動化、儀器儀表、航模以及家電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。常用直流無刷電機(jī)中轉(zhuǎn)子的位置檢測方法可分為兩種: 位置傳感器檢測及無位置傳感器，前者指在電機(jī)上安裝若干個(一般是3個)位置檢測傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置[3]； 后者則通過測量電機(jī)內(nèi)部電流、電壓等信息，利用相關(guān)公式將這些物理量換算成轉(zhuǎn)子的位置，間接獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息[4]。無位置傳感器技術(shù)省去若干個位置傳感器，從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本，硬件上提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，但其控制算法復(fù)雜，精度難以保證，特別是存在電機(jī)起動困難，負(fù)載性能不理想，轉(zhuǎn)速范圍小等缺點，因此在工程應(yīng)用中采用位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置更為普遍[5]。直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖

近年來，從工業(yè)控制等自動化設(shè)備到家用電器等領(lǐng)域的控制和測量，位置傳感器均起著不可或缺的作用[6]。但在電機(jī)高速運行過程中，若位置傳感器發(fā)生異常工作的情況；電機(jī)在正常運行時，某一個位置傳感器突然損壞的情況，若沒有提前采取軟件保護(hù)措施，電機(jī)將會進(jìn)入缺相運行狀態(tài)，此狀態(tài)下當(dāng)電機(jī)的相電流超過正常值時將導(dǎo)致無刷電機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動板嚴(yán)重發(fā)熱直至燒毀，后果很嚴(yán)重[7]。故有必要為無刷電機(jī)控制加上當(dāng)電機(jī)缺相后的處理算法，以防止上述情況的發(fā)生。本文介紹一種高效的電機(jī)缺相控制策略，一方面解決由于位置傳感器所引起的系統(tǒng)工作不正常，另一方面部改變電機(jī)硬件的基礎(chǔ)上使系統(tǒng)運行可靠。

1 直流無刷電機(jī)運行狀態(tài)分析

假設(shè)直流無刷電機(jī)繞組為星形連接，因此需要在電機(jī)內(nèi)部安裝三個霍爾傳感器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，且三個霍爾傳感器之間的電角度為120°電角度[8]。傳感器根據(jù)轉(zhuǎn)子極性輸出相應(yīng)的高低電平，因此，換相信號在一個電周期內(nèi)呈現(xiàn)出180°高電平與180°低電平，理想情況下霍爾傳感器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置輸出正確的換相信號如圖2所示。

圖2 理想情況下反電動勢與換相信號

位置傳感器在正常工作情況下，只會輸出二進(jìn)制數(shù)字信號。所以任一位置傳感器在工作過程中，只有兩種錯誤的工作狀態(tài)：一種是當(dāng)正確的換相信號為高電平時，實際卻輸出低電平，本文以變量Hall=0表示這種工作狀態(tài)，此處以任一霍爾傳感器A為例，則以HallA=0表明發(fā)生了該錯誤。當(dāng)位置傳感器正確的換相信號為低電平，實際的換相信號為高電平，此時以Hall=1表達(dá)式表示，若此時霍爾傳感器B發(fā)生該種錯誤，則以HallB=1表示電機(jī)B相發(fā)生了該種錯誤。

圖3 直流無刷電機(jī)控制電路圖

2 直流無刷電機(jī)缺相運行狀態(tài)分析

直流無刷電機(jī)通常采用全橋驅(qū)動的方式，如圖3所示。任一換相信號出錯都會影響一個或兩個MOS管的驅(qū)動信號，例如霍爾傳感器A(HallA)產(chǎn)生了錯誤的換相信號，假設(shè)HallA=0的情況，在正常情況下開通順序為：V1V4→V1V6→V3V6→V2V3→V2V5→V4V5，此時三相位置傳感器輸出信號組合應(yīng)為：100→110→010→011→001→101，如圖4所示。

如果發(fā)生霍爾傳感器A輸出的信號一直為0，即發(fā)生HallA=0錯誤。此時開通順序變?yōu)椋簾oMOS開通→V3V6→V3V6→V2V3→V2V5→V2V5，這將導(dǎo)致電機(jī)的迅速發(fā)熱，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及相電流等參數(shù)都將受到嚴(yán)重的影響。圖5為霍爾傳感器A發(fā)生HallA=0出錯前后的轉(zhuǎn)速對比。

圖4 直流無刷電機(jī)換相圖

圖5 轉(zhuǎn)速對比

3 糾錯控制算法

在一個電周期內(nèi)，正常情況下三個位置傳感器輸出值的和為1或為2。如果為0或3，則說明某一換相信號發(fā)生了錯誤。下面將利用變量Htotal來表示它們的和。

Htotal=Ha+Hb+Hc

(1)

當(dāng)Htotal=0時，說明某相傳感器的輸出信號一直為0，反之，若Htotal=3，則說明某相傳感器的輸出信號一直為1。接下來需要確定的是哪一相霍爾傳感器出現(xiàn)什么問題，仍然以A相霍爾傳感器為例進(jìn)行分析。

FFT是離散傅立葉變換的快速算法，可以將一個信號變換到頻域。電機(jī)反電動勢信號在時域很難看出什么特征，如圖6所示，圖6中上面一個圖為電機(jī)A相反動電勢波形，中間為B相反電動勢波形，下面為C相反電動勢波形。但是如果變換到頻域之后，就很容易看出特征了。FFT變換后每一個點就對應(yīng)著一個頻率點，該信號的模值，就是該頻率值下的幅值特性，具體和原信號的峰值A(chǔ)的關(guān)系為：假設(shè)信號的峰值為A，那么FFT的結(jié)果的每一點的模值就是A的N/2倍。由圖4可知，當(dāng)電機(jī)在0.5s處發(fā)生換相錯誤時，反電動勢的幅值發(fā)生了明顯變化，因此，可以通過FFT的方法判斷出該相出現(xiàn)問題。由于FFT結(jié)果的對稱性，通常我們只使用前半部分的結(jié)果，即小于采樣頻率一半的結(jié)果。

圖6 反電動勢信號

直流無刷電機(jī)反電動勢中包含有換相信號的信息，所以利用FFT運算得到三相電機(jī)反電動勢的頻譜，然后計算其功率譜。圖7中第一行兩個圖分別表示的是：當(dāng)電機(jī)正常運行時，A、B相反電動勢Ea、Eb的功率譜；第二行分別表示：當(dāng)出現(xiàn)HallA=0錯誤時，Ea的功率譜，Eb的功率譜。

圖7 電機(jī)正常運行與發(fā)生HallA=0錯誤

由圖7可見，當(dāng)發(fā)生HallA錯誤時，電機(jī)反電動勢與正常運行相比最大的區(qū)別在頻率為260Hz左右時的幅值大小不同，當(dāng)發(fā)生HallB錯誤時(圖6所示)，反電動勢Eb在頻率為260Hz左右時的幅值大小，同理當(dāng)發(fā)生HallC錯誤時，驗證Ec在頻率為260左右Hz左右時對應(yīng)的幅值。因此利用上述方法可以很方便的分辨出是哪一相換相信號出現(xiàn)了錯誤。

圖8 HallB=0錯誤以及HallA=1錯誤

表1 HallA錯誤功率譜幅值

反電動勢頻率(Hz)HallA=0幅值(V)HallA=1幅值(V)Ea13662346320264787105040051.5665303254

由仿真圖可見，當(dāng)發(fā)生HallA=0錯誤與HallA=1錯誤時，功率譜基本相似，但幾個關(guān)鍵點的幅值大小有所不同，HallA=1錯誤時在136Hz、264Hz、400Hz以及530Hz處功率譜的幅值明顯大于HallA=0錯誤時的幅值，下表列出了實驗測試值。

當(dāng)控制器沒有獲得正確的換相信號時，控制系統(tǒng)的性能將大大降低。本系統(tǒng)首先通過檢測三個霍爾傳感器的和，若值不等于1或2，說明系統(tǒng)沒有得到正確的換相信號，其次，通過檢測三相反電動勢的功率譜，以確定具體是哪相傳感器出現(xiàn)差錯，最后通過計算相應(yīng)功率譜的幅值，區(qū)分HallA=0于HallA=1錯誤。

4 實驗結(jié)果

系統(tǒng)通過Matlab/Simulink軟件對容錯控制方法進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如下：當(dāng)電機(jī)正常運行時，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=3，定子電阻Rs=1ohm，相電感Ls=0.001H，轉(zhuǎn)動慣量J=0.8×10-3kg·m2，電機(jī)極對數(shù)P=4，電機(jī)在0.2s處發(fā)生HallA=0錯誤，測試電機(jī)在2000 rad/min條件下運行，電機(jī)正常運行一個電周期的時間t360=0.0075s。

圖9 容錯系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩情況

由圖9可知，該方法能0.15s左右的時間輸出正確的換相信號，在糾正輸出之后，電機(jī)轉(zhuǎn)速波形依然平滑，糾正錯誤輸出的時間很短，基本滿足日常應(yīng)用，另外糾正輸出后電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動明顯減小，與電機(jī)正常運行時一致，證明了該方法的可行性。

4 小結(jié)

本文介紹了直流無刷電機(jī)容錯控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在位置傳感器無法正確輸出換相信號時系統(tǒng)依然正常工作，在分析電機(jī)在發(fā)生獲得錯誤換相信號時的運行狀況后，詳細(xì)講解了一種簡單處理錯誤換相信號的方法，該方法通過分別采樣電機(jī)三個相的反電動勢，對其進(jìn)行FFT變換，然后得到器功率譜，通過對功率譜分析可以方便的得到具體是哪一相換相信號出現(xiàn)錯誤，出現(xiàn)什么錯誤。該方法實現(xiàn)簡單，使電機(jī)運行平穩(wěn)，提高了控制系統(tǒng)的整體性能。

[1] Lai Yen-Shin,Lin Yong-Kai.Novel back-EMF detection technique of brushless DC motor drives for wide range control without using current and position sensors[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23(2):934-940.

[2] A.Tashakori, M.Ektesabi.Position sensors fault tolerant control system in BLDC Motors [J].International Association of Engineers, 2014, 22(1):39-47.

[3] Gui-Jia Su，McKeever J W．Low-cost sensorless control of brushless DC motors with improved speed range[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(2)：296-302.

[4] Dan M Ionel.Finite element analysis of brushless DC motors for flux weakening opreration[J].IEEE Trans.on Magneties，1996，32(5):5040-5042.

[5] 薛林鋒，羅隆福，楊晨．基于 DSP 的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制技術(shù)[J]．長沙電力學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，20(4)：1-4.

[6] 吳雪梅，景占榮，史永奇.基于DSP的直流無刷電機(jī)控制技術(shù)研究[J].機(jī)械與電子，2005(3)：50-52.

[7] 張磊，肖偉，瞿文龍．直接檢測無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號的方法[J]．清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，46(4)：453-456．

[8] 韋鯤,任軍軍,熊宇,張仲超. 無位置傳感器無刷直流電機(jī)SIMULINK仿真模型的建模[J].微電機(jī)，2004，37(5):26-29.

Commutation Signal's Correction Control of Brushless DC Motor

CHEN Bingbing, ZHANG Zhongxiang, ZHOU Yuanyuan

(School of Electronic and Information Engineering, Hefei Normal University, Hefei 230601, China)

Aiming at the lack phase of permanent magnet brushless DC motor (BLDCM) control system, which can not run normally, and the motor back EMF, which contains rotor position information, the fault-tolerant control system was proposed for brushless DC motor. After analyzing the various error commutation with brushless DC motor under operating conditions, using FFT computation for the motor back EMF signal, analysis of the power spectrum was made according to the appropriate rules to identify errors commutation signals, and output the correct commutation signals. The system is simple and does not require external circuitry. Finally, Matlab/ Simulink software were used to verify the proposed method, the experimental results show that the algorithm can get the motor's correct commutation signals in the wrong position, significantly improved the performance of the motor controller.

BLDCM; Matlab/Simulink; FFT

2016-05-20

2015年合肥師范學(xué)院校級青年基金項目(項目號：2015QN01)；安徽省高校優(yōu)秀人才支持重點項目(項目號：gxyqZD2016232)；安徽省高校優(yōu)秀人才支持重點項目(項目號：gxyqZD2016233)資助

陳兵兵(1986-),男，安徽安慶人，講師,碩士，研究方向：無刷直流電機(jī)控制。

O442

A

1674-2273(2016)06-0017-04