周翔宇，陳少華，宋言明，祝連慶，

(1.北京信息科技大學 光電測試技術及儀器教育部重點實驗室，北京 100192；2.北京信息科技大學 光纖傳感與系統(tǒng)北京實驗室，北京 100016)

0 引 言

無刷直流電機具有結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)越，單位功率密度高，技術成熟可靠等諸多優(yōu)點，被廣泛的應用于國防安全系統(tǒng)、航天航空技術、機器人、工業(yè)控制等領域。傳統(tǒng)的無刷直流電機采用六步法控制，即一個周期內(nèi)逆變器功率器件兩兩導通，每隔60°換相一次，通過轉(zhuǎn)子位置傳感器實時檢測轉(zhuǎn)子位置，確定換相時刻。常用的轉(zhuǎn)子位置傳感器有霍爾傳感器，電式位置傳感器和磁敏式位置傳感器等。但傳感器的安裝將增大電機體積，降低系統(tǒng)的可靠性。在一些惡劣的環(huán)境下會產(chǎn)生很大的位置誤差，失去傳感器的本質(zhì)功能，且維修困難，導致系統(tǒng)的可靠性變差，限制了電機在特定場合下的應用[1]。因此，深入研究具有無位置傳感器的無刷直流電機控制方法具有廣泛的應用價值和深遠的科學意義。

無位置傳感器控制是無刷直流電機(Brushless DC Motor，BLDCM)驅(qū)動技術的研究熱點，其中基于反電動勢法的無位置傳感器控制應用最為廣泛[2-3]。反電動勢法中有三次諧波檢測法[4-5]和反電動勢檢測法[6-7]，它們都是對電機的反電動勢過零點提取，從而生成位置檢測信號。反電動勢法由于低通濾波器相移、位置信號計算延時等因素造成位置信號檢測誤差，會導致較大的電流峰值和轉(zhuǎn)矩脈動，降低電機工作效率，增加電磁噪聲等。如果相位偏移得過大還可能造成失步現(xiàn)象，影響電機正常運行。為此，很多學者提出消除以上誤差的方法。文獻[8-9]通過改進反電動勢檢測電路，通過雙?？刂戚^好的補償了相位誤差，但是這種方法采用了位置傳感器，在某些特殊場合可靠性不高。文獻[10]利用線電壓之間的差值推導懸空相的相反電動勢，避免了中性點的選取。以上方法未對濾波電路自身對于電機控制，位置檢測以及角度滯后進行分析。

本文分析了無位置傳感器檢測電路在高速大功率電機應用中存在的相位滯后的原因，通過對低通濾波電路分析，結(jié)合電機控制，提出了最優(yōu)濾波策略，使電機在全轉(zhuǎn)速內(nèi)的滯后角度適中，控制簡單，實驗論證了方案的可行性。

1 無刷電機數(shù)學模型及檢測電路分析

1.1 無刷直流電機數(shù)學模型

無刷直流電機一般采用120°導通、每60°電角度換相一次的三相全橋進行驅(qū)動。無刷直流電機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無刷直流電機結(jié)構(gòu)示意圖

在忽略電機鐵心飽和，不計渦流損耗、磁滯損耗、電樞反應和齒槽效應，無刷直流電機線電壓方程如下所示：

其中，ua，ub，uc分別為電機三個相電壓；ia，ib，ic分別代表電機三相線(相)電流；ea，eb，ec分別代表電機三個相反電勢；R，L分別代表相電阻，電感。

本實驗樣機電動勢設計成梯形波，利用相反電動勢過零檢測轉(zhuǎn)子位置。圖2為相反電勢和相電流與換相點對應關系，其中A，B，C為電機的三相，P為轉(zhuǎn)子位置信號。相電流過零點30°，90°，150°，210°，270°，330°對應電機的六個換相點。

圖2 相反電勢和相反電勢與換相點對應關系圖

1.2 濾波電路結(jié)構(gòu)及換相延時分析

高速大功率無刷直流電機無位置檢測采用無源低通濾波電路，如圖3所示。

圖3 低通濾波器及過零檢測電路

其中，A，B，C三相的濾波電路和過零比較器相同。電流通過低通濾波之后和零電位比較，獲得過零點。

無刷電機換相信號產(chǎn)生相移的主要因素有：低通濾波延時，相反電勢滯后相電流30°(簡稱固定延時)，電路簡化延時(線電壓代替線反電勢引起的延時)，器件延時(包含比較電路、隔離電路、整形電路延時和輸出驅(qū)動電路延時)，軟件延時。

低通濾波電路延遲角度為

α1=arctan(CR1R2ω/(R1+R2))

R1,R2,C分別代表分壓電阻和濾波電容。

簡化延時角度為

α2=arctan((L-M)ω/R)；

器件延時時間Δt3=1.3 μs和軟件延時時間Δt4由離線測得，存入數(shù)據(jù)表中，對應延遲角度分別根據(jù)α3=ω*Δt3和α4=ω*Δt4由轉(zhuǎn)速實時計算。

所以，總延遲角度α=α1+α2+α3+α4+30，隨著ω的加大，延遲角度逐漸加大，所以濾波之后的相電壓反電勢過零點將不再對應換相點。必須采用合理的相位校正策略來補償這個誤差，否則電機性能將會受到影響。而低通濾波電路產(chǎn)生的延遲角度影響最大，如圖4所示。所以濾波電路的參數(shù)選擇對電機控制有很大的影響。

圖4 換相延時因素所占比例

2 最優(yōu)濾波策略

2.1 低通濾波電路特性

低通濾波電路在無刷直流電機無位置檢測中起很大作用，無刷直流電機在啟動初期，由于轉(zhuǎn)速較小，反電動勢難以檢測，并且存在很多干擾，使用低通濾波可以去除多數(shù)干擾。由于高速電機功率較大，啟動時電流增長過快，所以只能采用無源濾波電路。波特圖如圖5所示。

圖5 截止頻率分別為5.57 Hz、47.74 Hz、497 Hz、1061 Hz的波特圖

從波特圖可以看出截至頻率越高的濾波器在電機高速時延遲角度較小，但是頻率較高的時候信號衰減不夠，達不到好的濾波效果。截至頻率低的濾波器在電機較低轉(zhuǎn)速時延遲角度接近90°，難以補償。所以合適的濾波器對位置信號的檢測及速度的控制有重要影響。

2.2 低通濾波電路參數(shù)對位置檢測的影響

選取不同的濾波電路，具體參數(shù)如表1所示。

表1 不同的濾波電路參數(shù)

其中，R1和R2代表分壓電阻，C為濾波電容，F(xiàn)為濾波器截止頻率。

延遲角度與電機轉(zhuǎn)速的關系為

θ=arctan(CR1R2ω/2π(R1+R2))

圖6為電機轉(zhuǎn)速與延遲角度關系圖。

圖6 不同濾波器下電機轉(zhuǎn)速與延遲角度圖

由圖6得知截止頻率越低，電機的滯后角度變化越劇烈，最終滯后角度穩(wěn)定在90°處。曲線1是截止頻率為5.57 Hz的曲線，可以知道在電機啟動階段雖然可以濾除很多干擾信號，但是在升速階段，相位滯后角度變化太大且太快，硬件電路無法快速及時的對滯后角度補償，可能會導致電機失步，甚至無法啟動。而且在低速階段滯后超過60°，會導致電機切換換相表，增加了控制復雜度。曲線2是截止頻率為47.74 Hz的曲線，該曲線也存在滯后角度超過60°，需要切換換相表的問題。曲線3和曲線4截止頻率為497 Hz和1061 Hz，在全轉(zhuǎn)速內(nèi)，滯后角度隨轉(zhuǎn)速的升高趨向于線性關系，便于補償，且全轉(zhuǎn)速內(nèi)滯后角度未超過60°，不需要切換換相表。但是對于曲線4來說，截止頻率較高，濾波效果不明顯，信號中會有較多干擾，對于反電動勢過零點采集帶來了很大的麻煩。對于曲線3來說，既有適當?shù)慕刂诡l率濾除干擾信號又可以線性補償滯后角度，不需要切換就可以較好的控制電機轉(zhuǎn)速。所以曲線3對應的低通濾波會帶來很好的控制效果。

3 實驗驗證與分析

采用TI公司TMS320F28335為控制芯片，在一臺2對極，額定轉(zhuǎn)速10000 r/min，額定功率為1 kW，額定電壓Ud=380 V的高速無刷直流電機樣機平臺上進行試驗，實驗平臺如圖7所示，其實現(xiàn)控制示意圖如圖8所示。

圖7 高速無刷直流電機實驗平臺

圖8 無刷直流電機控制示意圖

圖9 無刷直流電機位置信號檢測板

無刷直流電機通過無位置信號采集板(如圖9所示)采集到反電動勢信號，通過比較過零點得到位置信號，通過速度環(huán)和電流環(huán)控制電機運行。最終波形如圖10所示。

圖10 無刷直流電機A相反電動勢波形和電流波形

由波形圖可知電機在497 Hz的濾波電路下，能夠較好的檢測到反電動勢過零點，該濾波策略有效。

4 結(jié) 語

本文對無刷直流電機無位置傳感器檢測電路進行了分析，分析了不同濾波電路對電機位置檢測的影響。提出了最優(yōu)濾波電路策略，使電機控制不需要切換換相表的情況下既可以濾除干擾信號，又可以很好的補償滯后角度。實驗結(jié)果表明，該策略有效，控制精確。