任志斌, 周運(yùn)逸, 朱 杰, 劉榮昌

(江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引 言

無(wú)刷直流電機(jī)以其轉(zhuǎn)矩大、效率高、噪音小、調(diào)速范圍寬和電磁污染小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備、家用電器以及電動(dòng)車等領(lǐng)域[1～3]。通常采用位置傳感器來檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)換相。受安裝位置的準(zhǔn)確性和外界濕度等不可控因素影響，電機(jī)位置傳感器可靠性有可能降低，同時(shí)增加了電機(jī)的體積和成本[4]。因此，無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法成為近年來的研究熱點(diǎn)之一，常采用的控制方法有反電動(dòng)勢(shì)法、磁鏈函數(shù)法、續(xù)流二極管法和電感法等[5～8]。本文著重分析無(wú)刷直流電機(jī)非導(dǎo)通相端電壓與母線電壓之間的關(guān)系得到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)信息，省去了重構(gòu)電機(jī)中性點(diǎn)的硬件電路，并且不需要濾波，避免了換相信號(hào)延遲，具有換相準(zhǔn)確、計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性好，啟動(dòng)

迅速等優(yōu)點(diǎn)。

1 控制原理分析

1.1 無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

圖1所示為三相全橋式無(wú)刷直流電機(jī)的拓?fù)鋱D，采用H_PWM-L_ON的二二導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式。為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)電機(jī)繞組為星形接法，不考慮齒槽效應(yīng)和磁路飽和，忽略磁滯、渦流、集膚效應(yīng)和溫度對(duì)參數(shù)的影響。

圖1 無(wú)刷直流電機(jī)拓?fù)鋱D

無(wú)刷直流電機(jī)的端電壓表達(dá)式關(guān)系式

式中uA，uB，uC分別為電機(jī)的三相定子繞組各相電壓，iA，iB，iC分別為電機(jī)的三相定子相電流；L=Ls-Lm(Ls定子相繞組自感，Lm定子相繞組互感)，eA,eB,eC為電機(jī)三相繞組反電動(dòng)勢(shì)；uN為電機(jī)中性點(diǎn)電壓。

1.2 反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)分析

系統(tǒng)的控制方式采用H_PWM-L_ON的模式，以AB相導(dǎo)通為例，即此時(shí)逆變橋A相上橋臂處于PWM調(diào)制工作狀態(tài)電流從A相上橋臂流入，B相下橋臂處于恒通狀態(tài)電流從B相下橋臂流出，此時(shí)C相為非導(dǎo)通相，即iC=0，該工作狀態(tài)用A to B來表示。那么此刻的三相端電壓為

且三相相電流關(guān)系為

iA+iB+iC=0

(3)

A to B時(shí)相電流和反電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系如下

iA=-iB

(4)

eA=-eB

(5)

由式(2)、式(4)、式(5)得到電機(jī)中性點(diǎn)電壓為

uN=(uA+uB)/2

(6)

將式(6)代入式(2)得

uC=eC+(uA+uB)/2

(7)

因?yàn)橄到y(tǒng)的控制模式為H_PWM-L_ON，則在A相上橋臂PWM導(dǎo)通期間，由圖1分析得

uA=udc,uB=0

(8)

將(8)式代入式(7)可得在上橋臂PWM導(dǎo)通期間非導(dǎo)通相C相端電壓

圖2為三相端電壓與反電動(dòng)勢(shì)波形分析圖，當(dāng)電機(jī)工作狀態(tài)為A to B時(shí)，C相為非導(dǎo)通相，此時(shí)C相反電動(dòng)勢(shì)有零點(diǎn)。結(jié)合式(9)可知，在上橋臂PWM導(dǎo)通期間，當(dāng)C相端電壓為此刻端電壓峰值的50 %時(shí)，C相反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)。由此可得出結(jié)論，C相端電壓與udc/2相比較可以得到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)信息。同理電機(jī)在H_PWM-L_ON模式下上橋臂PWM導(dǎo)通期間，工作在另外5種開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)分析與此相同，即通過檢測(cè)非導(dǎo)通相端電壓與此刻的母線電壓的50 %相比較得出此時(shí)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)信息，再延遲30°電角度得到換相點(diǎn)。

圖2 三相端電壓與反電動(dòng)勢(shì)波形

為了準(zhǔn)確地得到端電壓與母線電壓波形，設(shè)計(jì)了如圖3的端電壓與母線電壓采樣電路，將端電壓與母線電壓通過電阻分壓后連接至比較器；如圖4，C相端電壓與1/2母線電壓比較產(chǎn)生高低電平，從而得到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)。

圖3 端電壓與母線電壓采樣電路

圖4 C相端電壓與母線電壓比較電路

1.3 電機(jī)啟動(dòng)分析

電機(jī)啟動(dòng)分析圖如圖5所示，假設(shè)此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子N極位置位于圖5(a)上半陰影部分位置，此刻控制開關(guān)管的狀態(tài)為B to C，對(duì)應(yīng)的合成磁動(dòng)勢(shì)為Fs，這樣就會(huì)迫使轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過虛線位置時(shí)，A相會(huì)感應(yīng)出一個(gè)由正變負(fù)反電動(dòng)勢(shì)的變化，再延時(shí)30°電角度進(jìn)行換相，電機(jī)啟動(dòng)完成。

當(dāng)轉(zhuǎn)子N極位置位于圖5(b)下半部分陰影位置時(shí)，如果此時(shí)依然通狀態(tài)為B to C的合成磁動(dòng)勢(shì)Fs，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)到S3N3的位置，在此過程中A相無(wú)法檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法啟動(dòng)；如圖5(c)，則可檢測(cè)B相反電動(dòng)勢(shì)變化情況，通與Fs相差120°電角度開關(guān)管狀態(tài)為C to A的合成磁動(dòng)勢(shì)Fs1，在Fs1的作用下下轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)越過虛線，此時(shí)B相繞組可感應(yīng)出反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，再延時(shí)30°電角度進(jìn)行換相，電機(jī)啟動(dòng)由此完成。

圖5 電機(jī)啟動(dòng)分析

綜上可知，無(wú)論電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置在哪個(gè)區(qū)域，最多通兩個(gè)狀態(tài)的相差120°電角度的合成磁動(dòng)勢(shì)，就可以找到非導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)信息，從而使電機(jī)快速啟動(dòng)。

2 控制方法的實(shí)現(xiàn)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖6是無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制框圖，電機(jī)啟動(dòng)采用上述快速啟動(dòng)方式啟動(dòng)電機(jī)，設(shè)計(jì)了速度環(huán)和電流環(huán)組成的雙環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)更好的動(dòng)態(tài)性能。電機(jī)啟動(dòng)后，在H_PWM-L_ON模式下上橋臂導(dǎo)通期間采樣非導(dǎo)通相端電壓與此刻的母線電壓進(jìn)行比較得電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)，經(jīng)換相分析后，計(jì)算出的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速給定的差值輸入到速度調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器的輸出與電流檢測(cè)采樣值的差值作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再根據(jù)換相分析控制六路PWM輸出。

圖6 無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制框圖

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示，采用STM32F103C8T6型號(hào)的單片機(jī)；開關(guān)管選擇NCE80H11型號(hào)的N溝道MOS管；比較器型號(hào)為L(zhǎng)M339，其響應(yīng)時(shí)間為1.3 μs，使得檢測(cè)更加精準(zhǔn)；無(wú)刷直流電機(jī)的極對(duì)數(shù)為2，額定電壓為24 V，額定功率31 W，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8是轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)C相端電壓波形在H_PWM-L_ON模式PWM導(dǎo)通期間檢測(cè)到比較器輸出高低電平波形?？梢钥闯龇措妱?dòng)勢(shì)過零點(diǎn)之后30°電角度正是霍爾傳感器跳變點(diǎn)，可認(rèn)為該方法檢測(cè)出的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)再延時(shí)30°電角度得到的信號(hào)與霍爾傳感器產(chǎn)生的信號(hào)是一致的，證明此無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法的可行性。

圖8 比較器輸出與霍爾信號(hào)波形

圖9為無(wú)刷直流電機(jī)在有霍爾傳感器和無(wú)位置傳感器控制策略兩種控制方式下檢測(cè)的速度波形，速度給定均是1 600 r/min。有霍爾傳感器的速度波形在上升階段比較平穩(wěn)，約0.5 s后達(dá)到速度給定值，略有超調(diào)，經(jīng)電流環(huán)和速度環(huán)調(diào)節(jié)，在1.2 s時(shí)刻轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定；而采用上述無(wú)位置傳感器控制方式的無(wú)刷直流電機(jī)速度波形在速度上升階段反應(yīng)較快，約0.2 s達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，并有少許超調(diào)，0.5 s后轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定。兩者到達(dá)穩(wěn)定階段轉(zhuǎn)速均趨于平穩(wěn)，效果幾乎一致。實(shí)驗(yàn)證明該方法可以達(dá)到和有霍爾傳感器控制相同的性能，具有一定是實(shí)用價(jià)值。

圖9 二種控制方式下的速度波形

4 結(jié) 論

本文采用通過采樣非導(dǎo)通相端電壓和母線電壓中點(diǎn)相比較的方式，得到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)信息，再延時(shí)30°電角度得到換相點(diǎn)。方法省去了重構(gòu)電機(jī)中性點(diǎn)的硬件電路，避免了濾波電路所造成的的相位延遲，檢測(cè)電路采用精密電阻分壓采樣，無(wú)需額外供電，同時(shí)設(shè)計(jì)了新的啟動(dòng)方式，相比于三段式啟動(dòng)用時(shí)更短。實(shí)驗(yàn)證明：本文方法可以達(dá)到與有霍爾傳感器幾乎相同的控制效果，具有一定的實(shí)用性。