王家舜

(中國(guó)中煤平朔能源集團(tuán)有限公司，朔州 036000)

0 引 言

近年來,隨著新型永磁材料出現(xiàn)和電力電子發(fā)展,無刷直流電動(dòng)機(jī)得到廣泛使用。無刷直流電動(dòng)機(jī)功率密度大、效率高、壽命長(zhǎng)、可調(diào)速性優(yōu)越，在工業(yè)控制、家用電器和電動(dòng)工具等領(lǐng)域都有著較好的應(yīng)用。無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)控制相比于有位置傳感器，其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，成本更低，可以適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境，另外結(jié)合其抗干擾能力強(qiáng)，工藝難度低，控制器體積小等優(yōu)點(diǎn)，它成為無刷直流電動(dòng)機(jī)控制方面研究的熱點(diǎn)[1-3]。

無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器主要技術(shù)研究點(diǎn)集中在初始位置檢測(cè)、穩(wěn)定起動(dòng)、換相時(shí)間計(jì)算、過零點(diǎn)檢測(cè)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制等幾個(gè)方面。文獻(xiàn)[4-6]提出了三段式起動(dòng)法，三段式起動(dòng)法包括3個(gè)步驟：轉(zhuǎn)子預(yù)定位、外同步加速和自同步，其實(shí)現(xiàn)方法是先任意導(dǎo)通定子的兩相而另一相斷開，然后以固定的換相時(shí)間表讓電機(jī)的轉(zhuǎn)子強(qiáng)制同步，最后通過自檢測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)同步。三段式起動(dòng)法的基本原理相對(duì)簡(jiǎn)單，但如果不通過更為復(fù)雜的處理方法，電機(jī)的起動(dòng)過程會(huì)很不穩(wěn)定，常出現(xiàn)反轉(zhuǎn)和振蕩問題。文獻(xiàn)[7]提供了一種升壓升頻同步起動(dòng)法，其通過硬件電路的設(shè)計(jì)來控制電壓和頻率的協(xié)調(diào)變化，以達(dá)到起動(dòng)的目的，雖然這種升壓升頻同步起動(dòng)法可以實(shí)現(xiàn)更廣的工作范圍，但是極容易受到外界干擾，造成換相滯后或超前，甚至失步情況。在換相時(shí)間計(jì)算與過零點(diǎn)檢測(cè)方面，大多數(shù)的研究是基于反電動(dòng)勢(shì)來進(jìn)行的，文獻(xiàn)[8-10]提出以對(duì)稱的端電壓作為基準(zhǔn)、非對(duì)稱端電壓的偏差作為反饋，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相位實(shí)時(shí)矯正，從而改善電機(jī)運(yùn)行性能。這種方法很大程度上提高了基于反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)的電機(jī)控制穩(wěn)定性。

1 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)模型及原理

三相無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為標(biāo)準(zhǔn)的三相兩電平逆變電路，主電路結(jié)構(gòu)為三相半橋式拓?fù)?，如圖1所示，包括三個(gè)橋臂，任意時(shí)刻都有兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，且每個(gè)橋臂上下兩個(gè)開關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通。開關(guān)器件可以為IGBT或MOSFET等全控型電力電子開關(guān)器件，對(duì)于無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制而言，圖1的電路共有6種工作控制狀態(tài)，分別用S1～S6表示，每種控制狀態(tài)對(duì)應(yīng)兩相橋臂中的兩個(gè)功率器件動(dòng)作，其余不控制的功率器件全部關(guān)斷。即有： S1狀態(tài)對(duì)應(yīng)K2，K4導(dǎo)通； S2狀態(tài)對(duì)應(yīng)K3，K4導(dǎo)通； S3狀態(tài)對(duì)應(yīng)K3，K5導(dǎo)通； S4狀態(tài)對(duì)應(yīng)K1，K5導(dǎo)通；S5狀態(tài)對(duì)應(yīng)K1，K6導(dǎo)通； S6狀態(tài)對(duì)應(yīng)K2，K6導(dǎo)通。

圖1 控制器功率驅(qū)動(dòng)電路模塊主電路圖

這6種控制狀態(tài)根據(jù)控制器處理的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)換相信號(hào)來依次切換，控制器輸出PWM開關(guān)信號(hào)，通過脈寬調(diào)制技術(shù)來控制功率器件的開、通關(guān)斷狀態(tài)，從而控制輸出作用在電機(jī)繞組上的等效電壓，通過電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。

圖2是6種控制狀態(tài)的相電壓以及反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)的示意圖。

圖2 逆變電路6種工作狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的

無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)整體控制流程如圖3所示，各階段具體控制內(nèi)容與方法如下。

在電機(jī)起動(dòng)的第一階段，控制器分別在持續(xù)極短的時(shí)間t內(nèi)發(fā)送S1和S4狀態(tài)的控制信號(hào)，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子定位至S4狀態(tài)，完成電機(jī)轉(zhuǎn)子定位，如圖3中MN段。電機(jī)起動(dòng)的第二階段，從電機(jī)定位的S4狀態(tài)起，按電機(jī)換相表順序，控制器以一定的時(shí)間間隔依次發(fā)送S5、S6、S1、S2、S3……控制信號(hào)，并且時(shí)間間隔逐漸縮短，完成電機(jī)強(qiáng)制起動(dòng)，并且轉(zhuǎn)速穩(wěn)步提高，如圖3中NO段。電機(jī)起動(dòng)的第三階段，此時(shí)電機(jī)已通過第二階段加速到一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)基本保持穩(wěn)定，可通過處理器清晰讀取，此時(shí)，電機(jī)的換相不再通過延時(shí)時(shí)間間隔，而是通過反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)來判斷，如圖3中OP段。至此，電機(jī)由強(qiáng)制起動(dòng)轉(zhuǎn)換為自同步狀態(tài)，電機(jī)起動(dòng)完成。

圖3 無位置傳感器控制算法整體控制流程

2 過零點(diǎn)捕捉與抗干擾濾波軟件算法

當(dāng)電機(jī)以20 000 r/min左右的高速運(yùn)行時(shí)，換相時(shí)間極短，這就要求過零點(diǎn)檢測(cè)極其精確。當(dāng)電機(jī)從圖3中第二階段強(qiáng)制起動(dòng)切換到第三階段時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)很快升高，此時(shí)利用微處理器多中斷嵌套捕捉過零點(diǎn)。第三階段的程序流程如圖4所示，中斷嵌套實(shí)現(xiàn)方式如圖5所示，具體方法如下。

圖4 過零點(diǎn)識(shí)別與換相時(shí)間計(jì)算程序流程圖

圖5 過零點(diǎn)識(shí)別與換相示意圖

第一步，首先開啟3號(hào)中斷，并將電機(jī)起動(dòng)第二階段到第三階段切換時(shí)的換相延時(shí)時(shí)間的一半(換相干擾時(shí)間)設(shè)置為3號(hào)中斷的中斷間隔計(jì)數(shù)時(shí)間。3號(hào)中斷是用作計(jì)算每次電機(jī)換相的間隔時(shí)間的，并且在3號(hào)中斷中開啟1號(hào)中斷。

第二步，在第一步中3號(hào)中斷中開啟的1號(hào)中斷是一個(gè)執(zhí)行頻率足夠高的中斷，保證電機(jī)以額定高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可以滿足過零點(diǎn)檢測(cè)精度。在1號(hào)中斷的服務(wù)子程序中進(jìn)行過零點(diǎn)檢測(cè)，如果有過零點(diǎn)信號(hào)，則通過3號(hào)中斷的計(jì)數(shù)器數(shù)值來計(jì)算換相時(shí)間，并將此值作為2號(hào)中斷的中斷計(jì)數(shù)目標(biāo)值，關(guān)閉1號(hào)中斷，開啟2號(hào)中斷。若在1號(hào)中斷中未檢測(cè)到過零點(diǎn)信號(hào)則直接退出1號(hào)中斷。

第三步，2號(hào)中斷計(jì)數(shù)到設(shè)定目標(biāo)值后，進(jìn)入2號(hào)中斷服務(wù)子函數(shù)，此時(shí)到需要換相的時(shí)間，在2號(hào)中斷服務(wù)子函數(shù)中做換相判斷處理和狀態(tài)確定，切換相序，輸出對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后清除2號(hào)中斷的計(jì)數(shù)器值并關(guān)閉，開啟3號(hào)中斷。

3 反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)電路作為無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的關(guān)鍵電路模塊，其設(shè)計(jì)將直接影響到電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[11]提出利用斷開相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與母線電壓的二分之一比較，從而獲得過零點(diǎn)信號(hào)。但在電機(jī)高速運(yùn)行的情況下，斷開相電壓信號(hào)的采集頻率，以及控制器的頻率可能達(dá)不到要求。此外，隨著信號(hào)頻率的增加，控制器運(yùn)行不穩(wěn)定，尤其在惡劣環(huán)境下，其抗干擾能力會(huì)急劇下降。

為此，本文構(gòu)建外部虛擬中性點(diǎn)，將三相電壓引出后的合成電壓與母線電壓的分壓值進(jìn)行比較，得到過零點(diǎn)信號(hào)，以過零點(diǎn)信號(hào)的時(shí)間間隔來作為換相時(shí)間的判斷，過零點(diǎn)檢測(cè)等效電路圖如圖6所示。圖6中，VM表示控制系統(tǒng)中直流母線電壓，VA，VB，VC分別表示外部虛擬等效中性點(diǎn)電路中三相端電壓，通過將合成電壓的分壓值與系統(tǒng)直流母線電壓分壓值進(jìn)行比較，確定電機(jī)非控制相的反電動(dòng)勢(shì)是否過零點(diǎn)。原則上，在忽略干擾的情況下，每當(dāng)有過零點(diǎn)動(dòng)作時(shí)，比較器會(huì)輸出過零點(diǎn)信號(hào)F0，控制器捕獲F0信號(hào)，通過去干擾和濾波處理，為電機(jī)換相提供判斷依據(jù)，實(shí)現(xiàn)無位置傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)。

圖6 過零點(diǎn)檢測(cè)等效電路圖

比較電路參數(shù)計(jì)算如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

I1+I2=I3+I4

(5)

將式(1)～式(4)代入式(5)可得：

(6)

變換后，可得V2：

(7)

把V1作為中性點(diǎn)，結(jié)合式(7)可以推算出：

(8)

(9)

如果把V2中性點(diǎn)當(dāng)作VA，則有：

(10)

(11)

把設(shè)計(jì)的R1和R2值代入，再確定RA值后，即可計(jì)算出RB值。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)本文的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，選用意法半導(dǎo)體8位微控制器STM8S為核心，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)額定電壓110 V，額定功率200 W，額定轉(zhuǎn)速20 000 r/min。圖7為搭建完成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)、無刷直流電動(dòng)機(jī)、示波器Tektronix MDO3014、可調(diào)交流電源和電流探頭TCPA300等。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電機(jī)可以平穩(wěn)起起動(dòng)，起動(dòng)過程開關(guān)管PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖8所示。

圖8 電機(jī)起動(dòng)時(shí)的三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)

電機(jī)轉(zhuǎn)速到一定值后，反電動(dòng)勢(shì)足夠大且較為穩(wěn)定，能夠被有效地檢測(cè)到過零點(diǎn)，電機(jī)切換到自同步控制狀態(tài)。圖9為電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后三相相電壓的波形，圖10為電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后三相相電壓波形與三相合成電壓波形，驗(yàn)證了三相電壓合成后再獲取反電動(dòng)勢(shì)理論的正確性、可行性。

圖9 額定轉(zhuǎn)速時(shí)三相電壓波形

圖10 平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)三相電壓與合成電壓

測(cè)得A相和B相相電壓與A相電流比較波形如圖11所示，可以看出，在高速運(yùn)行的情況下電壓電流波形比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)丟步，且有一定的抗干擾能力，經(jīng)觀察電機(jī)實(shí)際運(yùn)行也非常穩(wěn)定，在高轉(zhuǎn)速情況下沒有出現(xiàn)抖動(dòng)的情況。

圖11 相電壓與相電流波形

5 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)表明，硬件過零點(diǎn)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，結(jié)合軟件多中斷嵌套算法，能夠?qū)o刷直流電動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)的過零點(diǎn)進(jìn)行精確判斷，從而計(jì)算出精確的電機(jī)換相時(shí)間，本文在軟件和硬件上對(duì)過零點(diǎn)檢測(cè)的設(shè)計(jì)是可行有效的。另外從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，軟件中加入的抗干擾以及濾波算法，也很大程度地保證了電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。