，

(蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，蘇州 215006)

無位置傳感器的BLDC控制設(shè)計(jì)與調(diào)制優(yōu)化

潘安樂，陳小平

(蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，蘇州 215006)

基于無位置傳感器控制設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于三相直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器，采用反電動(dòng)勢(shì)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，梯形波驅(qū)動(dòng)控制方式實(shí)現(xiàn)BLDC電機(jī)的啟轉(zhuǎn)、運(yùn)行。介紹了BLDC運(yùn)行原理及實(shí)現(xiàn)無位置傳感控制方法，探討了如何選擇最佳調(diào)制方式及電機(jī)速度最快時(shí)的換相時(shí)機(jī)，并優(yōu)化了調(diào)制方法。本文設(shè)計(jì)的控制器具有啟轉(zhuǎn)順、加速快、防輸出短路等特點(diǎn)，適用于多種高低速、高低電壓BLDC。

無位置傳感器控制；BLDC；IGBT

引 言

直流無刷電機(jī)(BLDC)是近幾年來小型電機(jī)行業(yè)發(fā)展最快的品種之一,由于其具有體積小、重量輕、效率高、調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、沒有勵(lì)磁損耗等問題,因此在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)目前主要有三種控制方式:專用集成電路芯片控制、DSP高速控制、單片機(jī)控制。以專用集成電路芯片為核心的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但不能靈活地控制各種參數(shù)；以DSP為核心的控制系統(tǒng)精度高、速度快,但成本高；以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)具有價(jià)格低,片內(nèi)資源豐富,且可以靈活地編制程序控制等優(yōu)點(diǎn)[2]。

BLDC控制中轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法包括有位置傳感器控制和無位置傳感器控制兩種[3]。有位置傳感器控制簡(jiǎn)單,但位置傳感器的存在增大了電機(jī)體積,增加了電機(jī)制造的復(fù)雜性,在一些高溫、高濕等特殊應(yīng)用場(chǎng)合,外置式位置傳感器的可靠性差,有時(shí)甚至無法正常工作,在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍[4]。采用無位置傳感器控制，可以縮小電機(jī)體積，提高系統(tǒng)抗干擾能力，精確的無位置傳感器控制還能避免位置傳感器可靠性差、安裝精確度不足帶來的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

本文研究的BLDC控制器以NUVOTON MINI54ZDE單片機(jī)為控制核心，采用無位置傳感器控制策略[5]，輔以驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)BLDC電機(jī)的控制。硬件采用九電阻檢過零電路，軟件采用PWM_ON調(diào)制進(jìn)行優(yōu)化控制。控制器從電機(jī)啟轉(zhuǎn)到電機(jī)運(yùn)行考慮非常全面，可適用于多種高低速和高低電壓BLDC的控制。

1 BLDC控制原理

無刷電機(jī)主要由旋轉(zhuǎn)的永磁體(轉(zhuǎn)子)和三組均勻分布的線圈(A、B、C定子)組成，線圈包圍著定子被固定在外部。電流流經(jīng)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，三組磁場(chǎng)相互疊加形成一個(gè)矢量磁場(chǎng)，矢量磁場(chǎng)作用在轉(zhuǎn)子上，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

1.1 驅(qū)動(dòng)控制方式

本文設(shè)計(jì)的控制器采用的驅(qū)動(dòng)方法是兩兩導(dǎo)通[6]三相六狀態(tài)。其工作原理是通過逆變功率開關(guān)管按一定的規(guī)律導(dǎo)通和關(guān)斷,使電機(jī)定子電樞繞組中產(chǎn)生按某一電角度不斷步進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),永磁體在磁場(chǎng)中受力旋轉(zhuǎn)。在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的情況下，完整的一個(gè)周期換相順序應(yīng)為AB→AC→BC→BA→CA→CB→AB。

圖1是電機(jī)在定子通電相由AB→AC轉(zhuǎn)換過程中，即定子電樞的磁勢(shì)由Fa1向Fa2的跳躍步進(jìn)過程中，轉(zhuǎn)子由Ff1轉(zhuǎn)向Ff2的過程。

圖1 電機(jī)旋轉(zhuǎn)換相工作原理

1.2 轉(zhuǎn)子位置確定

1.2.1 BLDC反電動(dòng)勢(shì)

控制器采用兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)方式控制無刷電機(jī)，其導(dǎo)通相與感生電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系如圖2所示。三相繞組中，任意時(shí)刻總有一相處于斷開狀態(tài)，該斷開相的反電動(dòng)勢(shì)總會(huì)有過零點(diǎn)產(chǎn)生。

圖2 導(dǎo)通相與感生電動(dòng)勢(shì)關(guān)系

1.2.2 直接反電勢(shì)過零法

由于BLDC反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)與換相時(shí)機(jī)有圖2所示的關(guān)系，因此只要在檢測(cè)到斷開相反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)之后30°電角度時(shí)，依照開關(guān)管導(dǎo)通順序進(jìn)行換相，即可控制電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)采用直接反電勢(shì)過零法測(cè)斷開相的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，所謂直接反電勢(shì)法，又叫九電阻法測(cè)過零點(diǎn)，即將斷開相的反電動(dòng)勢(shì)波形通過9個(gè)電阻處理后接入MINI51芯片內(nèi)部的過零比較器，單片機(jī)測(cè)得接入相的過零點(diǎn)，并在得到過零點(diǎn)之后延時(shí)一定電角度再進(jìn)行換相控制。

1.3 BLDC的調(diào)速

由直流無刷電動(dòng)機(jī)的基本原理可知，改變加在電機(jī)繞組兩端的電壓可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即改變加在直流無刷電動(dòng)機(jī)繞組上的PWM信號(hào)的占空比就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 電路結(jié)構(gòu)

本控制器的使用對(duì)象是無位置傳感器的直流無刷電機(jī)，其內(nèi)部繞組是三相星形連接，采用三相星形全橋驅(qū)動(dòng)、兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)的工作方式。系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。6個(gè)PWM輸出連接到3對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)器(FD2501)，最終連接到6個(gè)IGBT(SM4023)，BLDC電機(jī)繞組以三相橋式連接到這些IGBT。同時(shí)，九電阻測(cè)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)。

圖3 電路結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)中采用的驅(qū)動(dòng)芯片F(xiàn)D2501是一個(gè)內(nèi)置欠壓保護(hù)功能的高電壓、高速柵極驅(qū)動(dòng)器，MOS管型號(hào)為SM4023，其VDS最大承載電壓可至40 V,低頻時(shí)漏極持續(xù)電流ID可達(dá)31 A，滿足大功率驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)需求。

2.2 九電阻電路

在本設(shè)計(jì)中采用直接反電勢(shì)過零法獲得電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)零點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)無位置傳感器的控制，過零檢測(cè)電路由9個(gè)電阻組成，具體接法如圖4所示，ACMP_P、ACMP_N為過零比較器的P、N端，A、B、C為電機(jī)的三相繞組端。由于采用24 V電源的電機(jī)，鑒于主控芯片電源為5 V的限制，從三相繞組接下來的電阻阻值選取10 kΩ與1 kΩ的比值，可有效檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)。

圖4 九電阻電路

2.3 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

對(duì)于典型的三相直流無刷電機(jī)，在正常工作時(shí)有6個(gè)不同工作區(qū)間，產(chǎn)生的三相六狀態(tài)波形由全波逆變電路產(chǎn)生。如圖5所示，6個(gè)功率開關(guān)管控制三相繞組兩兩通斷,三相六狀態(tài)方式即每個(gè)時(shí)刻只有上下橋中一個(gè)橋臂的開關(guān)管導(dǎo)通,每隔1/6周期(即60°電角度)換相一次,每個(gè)開關(guān)管一次導(dǎo)通120°電角度。正轉(zhuǎn)時(shí)，各開關(guān)管導(dǎo)通順序?yàn)椋篢1T4→T1T6→T3T6→T3T2→T5T2→T5T4→T1T4。

圖5 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制流程

本文設(shè)計(jì)的控制器包括高速和低速兩個(gè)檔位，具有欠壓保護(hù)和防輸出短路功能。程序初始化之后在主函數(shù)里檢測(cè)欠壓及目標(biāo)速度標(biāo)志，進(jìn)行欠壓保護(hù)及電機(jī)速度的控制。換相動(dòng)作及定時(shí)器數(shù)值的更新在定時(shí)器Timer1中斷里進(jìn)行。主程序里主要的控制流程如圖6所示。

圖6 控制流程圖

3.2 電機(jī)啟動(dòng)設(shè)計(jì)

電機(jī)上電后根據(jù)初始狀態(tài)決定如何進(jìn)行啟轉(zhuǎn)，具體分為以下兩種情況：

(1)靜止啟轉(zhuǎn)

BLDC轉(zhuǎn)起來才能檢測(cè)到過零，本設(shè)計(jì)中首次通電換相時(shí)間取60 ms。線圈若剛好對(duì)準(zhǔn)永磁體，通電時(shí)間再長(zhǎng)也不會(huì)轉(zhuǎn)，因此在Timer1中斷中，若超時(shí)2倍換相時(shí)間仍未檢測(cè)到過零，就不再等待，直接換下一相。

靜止加速時(shí)采用三段式啟動(dòng)法，它分為預(yù)定位、外同步加速、自同步3個(gè)階段。預(yù)定位階段采用預(yù)先給任意兩相定子繞組通電，利用合成定子磁勢(shì)把轉(zhuǎn)子軸線拖到與合成磁勢(shì)重合的位置。外同步加速階段通過控制占空比增量逐漸提高電機(jī)外同步狀態(tài)外施電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷增大，直至反電動(dòng)勢(shì)增大到可以檢測(cè)出來的時(shí)候切換到自同步狀態(tài)。

(2)非靜止啟轉(zhuǎn)

啟轉(zhuǎn)前若BLDC已經(jīng)在轉(zhuǎn)，測(cè)到過零點(diǎn)后延時(shí)半個(gè)周期或立即從下一相通電，就可以直接順暢啟轉(zhuǎn)。

本設(shè)計(jì)通過測(cè)某一斷開相是否有周期過零事件來判斷電機(jī)是否在轉(zhuǎn)，如測(cè)到斷開相周期性的過零事件，說明電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)，只需按順序從下一相通電便可使電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

3.3 檢過零→換相

軟件設(shè)計(jì)中使用兩個(gè)定時(shí)器：Timer1連續(xù)定時(shí)模式用于定時(shí)檢測(cè)過零點(diǎn)，首次取5 ms進(jìn)中斷；Timer0周期模式用于觸發(fā)換相，首次取60 ms換相周期。每次在Timer1中斷里檢測(cè)到過零后，Timer1和Timer0定時(shí)器的溢出值迭代更新，具體的時(shí)間流圖如圖7所示。

在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，檢過零之后的30°電角度為最佳換相時(shí)機(jī)，每次換相后，要改變驅(qū)動(dòng)上、下IGBT的PWM輸出引腳，還要切換比較器的輸入引腳。本控制器使用的NUVOTON主控芯片MINI51系列具有如下功能： ①換相寄存器:PWM→PHCHG，寫該寄存器完成上述三個(gè)動(dòng)作。②定時(shí)器溢出時(shí)，自動(dòng)換相:PWM→PHCHGNXT中的值會(huì)自動(dòng)寫入換相寄存器PWM→PHCHG。

3.4 防輸出短路

控制器啟用芯片的Brake功能，過流立即關(guān)斷IGBT。經(jīng)測(cè)試，即使在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)短接輸出，也不會(huì)燒功率管。

4 調(diào)制方法優(yōu)化

4.1 最佳PWM調(diào)制方式

現(xiàn)有的BLDC調(diào)制方式有PWM_ON、ON_PWM、H_PWM-L_ON、H_ON-L_PWM、H_PWM-L_PWM這5種調(diào)制方式[7]，5種調(diào)制方式的區(qū)別在于開關(guān)管的損耗及電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不同。所謂的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，瞬時(shí)輸出力矩隨時(shí)間不斷變化，但是卻圍繞某一平均值上下變動(dòng)的現(xiàn)象。

圖7 檢過零→換相時(shí)間流圖

在PWM_ON調(diào)制方式下功率管開關(guān)次數(shù)最少，6個(gè)功率管的開關(guān)損耗得到均勻分配，同時(shí)在換相過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，與其他4種調(diào)制方式相比具有更好的控制效果。因此本設(shè)計(jì)采用PWM_ON調(diào)制方式，即在開關(guān)管導(dǎo)通的120°期間，前60°進(jìn)行PWM調(diào)制，后60°保持恒通。

4.2 高速運(yùn)轉(zhuǎn)

4.2.1 最佳換相

磁鐵的旋轉(zhuǎn)是連續(xù)的，電壓最大的位置是定子矢量磁場(chǎng)，比磁鐵超前90°。此時(shí)供電電壓比磁鐵超前90°，力矩和效率是最佳的，弦波驅(qū)動(dòng)方式就是讓電磁場(chǎng)總是與磁鐵成90°，方波驅(qū)動(dòng)方式只能讓電磁場(chǎng)與磁鐵的夾角在90°的前后30°范圍內(nèi)變化。

過零檢測(cè)后再延時(shí)一半時(shí)間換相，剛好前后各30°，當(dāng)二者夾角不是90°時(shí)，可以把電磁場(chǎng)(或磁鐵)作90°分解，分解成一個(gè)水平分量，一個(gè)垂直分量。 當(dāng)夾角小于90°時(shí)，分解合成的結(jié)果相當(dāng)于磁鐵磁性增強(qiáng)了,所以轉(zhuǎn)矩會(huì)增大，轉(zhuǎn)速會(huì)降低。夾角大于90°時(shí)，分解合成的結(jié)果相當(dāng)于磁鐵磁性減弱了，電機(jī)轉(zhuǎn)矩會(huì)減小，但是轉(zhuǎn)速會(huì)加快。

4.2.2 轉(zhuǎn)速最快換相

圖8 線圈磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子夾角示意圖

如果過零之后立即換相，平均夾角就是120°(如圖8所示)，則磁鐵與線圈磁場(chǎng)有一個(gè)180°的分量，分解后磁鐵相當(dāng)于磁性減弱，此時(shí)力矩會(huì)損失很多，并且電流會(huì)增大較多，但電機(jī)速度最快，比最佳換相時(shí)機(jī)的速度要快5%。

轉(zhuǎn)速可根據(jù)前后兩次檢測(cè)過零時(shí)間的差值算出。兩次檢測(cè)過零時(shí)，Timer1定時(shí)器讀數(shù)的差值即是當(dāng)前的換相周期PeriodNow，為當(dāng)前換相時(shí)間微秒數(shù)。6次換相是一個(gè)電轉(zhuǎn)周期，其倒數(shù)就是每秒電轉(zhuǎn)速，再乘60就是每分鐘轉(zhuǎn)速。電機(jī)每分鐘電轉(zhuǎn)速計(jì)算公式是：

60×(106μs/(PeriodNow×6))=107/PeriodNow

5 控制器測(cè)試

BLDC控制器設(shè)計(jì)完成后，成功驅(qū)動(dòng)一款直流無刷電機(jī)，并在該BLDC控制器上以家用吸塵器的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)IEC60312進(jìn)行了兩種換相情況下的測(cè)試，測(cè)試的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1、表2所列。

表1 過零后延時(shí)30°換相

表2 過零后立即換相

兩種情況下的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，在梯形波控制方式下，相同的測(cè)試環(huán)境，相比于最佳的換相時(shí)機(jī)，過零后立即換相電機(jī)的轉(zhuǎn)速大約提高5%，本測(cè)試使用的直流無刷電機(jī)在全速運(yùn)行情況下，轉(zhuǎn)速最高可達(dá)八萬多rpm，同時(shí)瞬時(shí)效率也有一定的提高。理論上本控制器最高可驅(qū)動(dòng)二十萬轉(zhuǎn)左右的直流無刷電機(jī)，滿足大功率電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。

DesignandModulationOptimizationofPositionSensorlessBLDCControlSystem

PanAnle,ChenXiaoping

(School of Electronic Information,Soochow University,Suzhou 215006,China)

In the paper,a driving controller is designed based on the position sensorless control method,which can be applied to three-phase brushless DC motor.The rotor position is detected by back EMF method,and the trapezoidal wave drive control mode is used to achieve the normal rotation of the motor.The operation principle of BLDC and how to realize the sensorless position control of the controller are introduced.How to select the best modulation mode and the commutation time of the fastest speed of the motor are discussed,then optimizes the modulation method.The controller designed in this paper has the advantages of smooth start,fast acceleration and output short-circuit prevention,it can be applied to various BLDC motors.

position sensorless control;BLDC;IGBT

TP273.1

A