高曉峰 劉丹 黃潤(rùn)宇

摘要：直流無刷電機(jī)已經(jīng)進(jìn)入到航天航空、自動(dòng)化、工業(yè)工控、工具制造與汽車制造等領(lǐng)域中，可滿足定位應(yīng)用、可變負(fù)載應(yīng)用與持續(xù)負(fù)載應(yīng)用需求。本文主要針對(duì)直流無刷電機(jī)的控制需求，針對(duì)換相與零點(diǎn)時(shí)刻，研究過零檢測(cè)電路，以此來滿足無位置傳感器條件下的電機(jī)控制需求。

關(guān)鍵詞：直流無刷電機(jī);換相過零檢測(cè);技術(shù)方法

直流無刷電機(jī)在民用與工業(yè)領(lǐng)域中都得到良好的影響，其優(yōu)勢(shì)包括節(jié)能高效、性能穩(wěn)定可靠以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。對(duì)這種電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，需要通過明確轉(zhuǎn)子的位置來對(duì)換相時(shí)刻加以確定?，F(xiàn)主要從換相過零檢測(cè)的角度對(duì)直流無刷電機(jī)的應(yīng)用與控制展開研究。

1直流無刷電機(jī)應(yīng)用原理

1.1原理

無刷直流電機(jī)屬于機(jī)電一體化的設(shè)備，其組成部分包括驅(qū)動(dòng)器與電動(dòng)機(jī)主體，轉(zhuǎn)子上粘設(shè)的永磁體已經(jīng)完成充磁，在對(duì)轉(zhuǎn)子極性進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要通過位置傳感器來實(shí)現(xiàn)。集成電路與功率電子器件共同組成驅(qū)動(dòng)器，該裝置負(fù)責(zé)獲取電機(jī)的制動(dòng)、停止與啟動(dòng)信號(hào)，從而使電機(jī)切換制動(dòng)、停止與啟動(dòng)幾種不同的狀態(tài);同時(shí)還要負(fù)責(zé)獲取位置傳感器發(fā)送的信號(hào)以及正反轉(zhuǎn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率管的控制，變換通斷狀態(tài)，不斷形成轉(zhuǎn)矩;除此之外，還需對(duì)速度反饋信號(hào)和速度指令進(jìn)行接收，以此調(diào)整與控制轉(zhuǎn)速，功能還包括顯示與保護(hù)等。

采用三相繞組形式的直流無刷電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，主要借助6種狀態(tài)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。電流會(huì)依照相應(yīng)的順序經(jīng)過電機(jī)三相繞組之后，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上設(shè)置的永磁鐵和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間將出現(xiàn)相互作用，電機(jī)依照預(yù)設(shè)方向開展循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)在完成單個(gè)周期運(yùn)行時(shí)，往往存在6種狀態(tài)，因此必須對(duì)轉(zhuǎn)子所處的6個(gè)不同的特殊位置實(shí)施檢測(cè)，并展開6次換相?？刂茊挝浑娏鲀?nèi)的電機(jī)達(dá)到輸出有效轉(zhuǎn)矩的最大值時(shí)，所有換相都應(yīng)是確定時(shí)刻。可給電機(jī)選擇星形連接方式，按照換相時(shí)刻，控制器連續(xù)地對(duì)功率管進(jìn)行開閉動(dòng)作，電機(jī)不間斷地按照一致的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作，處于電路下方區(qū)域的場(chǎng)效采取PWM控制系統(tǒng)，確保滿足電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方面的要求。

1.2特點(diǎn)

直流無刷電機(jī)能夠?qū)p速機(jī)+異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、變頻電機(jī)與變頻器調(diào)速與直流電機(jī)調(diào)速進(jìn)行體改，既保持傳統(tǒng)型直流電機(jī)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，又將滑環(huán)結(jié)構(gòu)與碳刷結(jié)構(gòu)取消;可保持大功率低速的運(yùn)行狀態(tài)，以此節(jié)省減速機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)活動(dòng)而產(chǎn)生的過大負(fù)載;其出力大、重量輕且體積比較小，過載能力強(qiáng)化，具有相對(duì)較廣的調(diào)速范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速;這種電機(jī)本身具有良好的制動(dòng)特性，可軟停軟啟，因此不需要使用電磁制動(dòng)裝置或者機(jī)械制動(dòng)裝置;電機(jī)符合節(jié)能要求，具有較高的運(yùn)行效率，運(yùn)行電機(jī)時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生碳刷損耗或者勵(lì)磁損耗，節(jié)電率在20%到60%之間;直流無刷電機(jī)不僅適應(yīng)性比較強(qiáng)，其保養(yǎng)與檢修都容易實(shí)現(xiàn)，由于運(yùn)轉(zhuǎn)更加平滑，震動(dòng)幅度小，噪音強(qiáng)度低，所以可用時(shí)間更長(zhǎng);不會(huì)產(chǎn)生火花，安全隱患少，可在爆炸性場(chǎng)所中應(yīng)用防爆型電機(jī)。

2反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)方法與原理

無刷直流電機(jī)的組成部分包括轉(zhuǎn)子鐵心、支板、鉚釘，定子繞組與鐵心、定子相、槽絕緣材料以及永磁體共同構(gòu)成，其中空調(diào)壓縮機(jī)設(shè)備的外殼與定子鐵心采用熱裝工藝，通過過盈配合的技術(shù)被設(shè)置到壓縮機(jī)中，熱裝工藝還被用到轉(zhuǎn)子內(nèi)控上，同樣選擇過盈配合方法處于泵體曲軸上。

針對(duì)直流無刷電機(jī)設(shè)備實(shí)施控制時(shí)，關(guān)鍵問題為換相時(shí)刻的正確確定，以此才能確保各個(gè)時(shí)刻繞組維持良好的通電狀態(tài)，如果在控制系統(tǒng)上增加位置傳感器，系統(tǒng)整體建設(shè)成本隨之增高，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也會(huì)變得更加復(fù)雜，系統(tǒng)整體抵抗干擾的能力由此變差，傳感器需要連接的線路數(shù)量多，構(gòu)成復(fù)雜，電機(jī)的可靠性在傳感器的影響下會(huì)降低，一些電機(jī)所處的運(yùn)行條件較為惡劣，存在高壓、高溫等隱患因素，冷凍機(jī)油與制冷劑還會(huì)造成腐蝕性問題，提高了傳感器的使用難度，電機(jī)本身的運(yùn)行特性與傳感器設(shè)備的安裝精度也有聯(lián)系，如果傳感器出現(xiàn)故障，電機(jī)整機(jī)壽命將隨之縮短。所以在研發(fā)升級(jí)這種電機(jī)的控制系統(tǒng)時(shí)，需要設(shè)立不使用位置傳感器的條件，常見的方法包括磁鏈法、以續(xù)流二極管為基礎(chǔ)的導(dǎo)通檢測(cè)法以及過零檢測(cè)法（反電動(dòng)勢(shì)），使用率較高的方法為過零點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)，其主要測(cè)量電機(jī)中性點(diǎn)上的電壓和斷開相繞組端上的電壓之間存在的關(guān)系。

根據(jù)直流無刷電機(jī)電路驅(qū)動(dòng)圖，同時(shí)導(dǎo)通場(chǎng)效應(yīng)管VT2和VT3，其余的場(chǎng)效應(yīng)管均為關(guān)閉狀態(tài)，永磁電阻維持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，經(jīng)過繞組，其磁通因此而出現(xiàn)變化，反電動(dòng)勢(shì)保持正負(fù)交變，只有在一個(gè)時(shí)刻中，反動(dòng)電勢(shì)數(shù)值是零，即檢測(cè)時(shí)其過零點(diǎn)。當(dāng)反相輸入端接入的電壓低于同相輸入端連接的電壓，系統(tǒng)中使用的電壓比較器將高電平的信號(hào)輸出;而當(dāng)情況相反時(shí)，電壓比較器提供的信號(hào)是低電平?？紤]到運(yùn)放給共模信號(hào)提出的要求，反向端與同向端能夠輸入的電壓達(dá)到比較器設(shè)備電源電壓的二分之一。

3試驗(yàn)與結(jié)果

試驗(yàn)中選擇的直流無刷電機(jī)擁有9對(duì)磁極，針對(duì)其中一個(gè)繞組反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)的情況實(shí)施檢測(cè)。

電阻運(yùn)放出的所有輸出信號(hào)中，有數(shù)個(gè)過零時(shí)刻，將過零時(shí)刻對(duì)應(yīng)的信號(hào)發(fā)出。當(dāng)電阻放出的信號(hào)處于過時(shí)刻前端區(qū)域時(shí)，存在數(shù)個(gè)呈現(xiàn)不規(guī)整狀態(tài)的三角脈沖，同時(shí)脈沖的下降沿與上升沿均存在延遲，之所以出現(xiàn)三角脈沖，主要是因?yàn)檫\(yùn)放本身以及阻容耦合形成影響，導(dǎo)致輸出信號(hào)產(chǎn)生延遲的情況。分析輸出信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的軟件可以對(duì)過零時(shí)刻實(shí)施判斷，確定其無法通過查詢方式與中斷方式進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)居于過零時(shí)刻，輸出信號(hào)進(jìn)行高低平轉(zhuǎn)換前期，可能有多個(gè)呈現(xiàn)出不規(guī)整特點(diǎn)的三角脈沖?？刂破髟谑艿礁蓴_信號(hào)的影響后，獲取的過零時(shí)刻信號(hào)存在錯(cuò)誤的情況，控制器通過中斷方式對(duì)零點(diǎn)開展檢測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)增設(shè)比較電路，具體位置為過零檢測(cè)電路系統(tǒng)后方，二級(jí)比較器設(shè)備的反向端增設(shè)電阻電壓，數(shù)量為2，設(shè)置Uf為參考電壓，如果參考電壓高于一級(jí)比較器設(shè)備提供的信號(hào)電壓，另外的二級(jí)運(yùn)放將電平信號(hào)輸出并保持前一種狀態(tài)，當(dāng)信號(hào)電壓大于參考電壓，即可確定達(dá)到高電平與低電平相互轉(zhuǎn)換的時(shí)刻，即輸出信號(hào)過零。

借助二級(jí)運(yùn)放對(duì)三角脈沖進(jìn)行濾除，以此消除這種存在不規(guī)整問題的脈沖的影響，提供的脈沖過零信號(hào)為矩形，且具有較高的標(biāo)準(zhǔn)化水平。通過CPU對(duì)零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，為了避開三角脈沖，需要在PWM運(yùn)行周期之內(nèi)的低電平期間對(duì)過零信號(hào)開展查詢工作，運(yùn)放與阻容耦合造成的信號(hào)延遲現(xiàn)象也會(huì)產(chǎn)生影響，所以應(yīng)當(dāng)在低電平出現(xiàn)小段延時(shí)之后再查詢，查詢高低電平轉(zhuǎn)換發(fā)生的瞬間，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)過零時(shí)刻的有效檢驗(yàn)。對(duì)比這種方式與中斷方式，前者具有更為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，但是查詢過程中會(huì)出現(xiàn)大量占用CPU的問題。

4直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)

直流無刷電機(jī)大多使用轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，功能單元包括電流調(diào)節(jié)、電流保護(hù)與電流檢測(cè)，該系統(tǒng)單位功能是在起動(dòng)活動(dòng)中與限流保護(hù)過程中，維持系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩加速最大值;速度環(huán)為外環(huán)，功能單元有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速計(jì)算與轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)等，作用為對(duì)單機(jī)調(diào)速控制與恒定轉(zhuǎn)速進(jìn)行保證。

系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)活動(dòng)，掌握母線電流發(fā)生的變化，向電流保護(hù)電路以及電流調(diào)節(jié)器傳送檢測(cè)信息，并實(shí)施分析處理。如果電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入升速運(yùn)行狀態(tài)或者恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速狀態(tài)，電流調(diào)節(jié)器裝置即可按照電流檢測(cè)數(shù)據(jù)，給PWM波的控制與發(fā)生環(huán)節(jié)提供控制電流的相關(guān)信息，進(jìn)而發(fā)揮電流控制作用。在速度控制環(huán)節(jié)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器可結(jié)合PWM調(diào)制信號(hào)的具體發(fā)生情況，開展轉(zhuǎn)速開環(huán)控制活動(dòng)，在閉環(huán)控制功能中，主要借助轉(zhuǎn)速計(jì)算數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)子位置的具體檢測(cè)結(jié)構(gòu)完成對(duì)轉(zhuǎn)速控制輸出的調(diào)整。本文研究的這種建立在無位置傳感器條件下的運(yùn)行方式為進(jìn)行一定時(shí)間的延時(shí)后，參考各相繞組之間的導(dǎo)通關(guān)系，對(duì)后續(xù)的導(dǎo)通邏輯進(jìn)行確定，延時(shí)時(shí)間多為逆變周期范圍內(nèi)30度電角度。利用電阻分壓即可完成反電動(dòng)勢(shì)采樣，再把采樣電壓傳動(dòng)到過零比較器中進(jìn)行過零檢測(cè)，實(shí)際檢測(cè)過程中，考慮到噪聲可能影響到檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)過零檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于噪聲也有相對(duì)較高的敏感度，所以應(yīng)當(dāng)將低通濾波環(huán)節(jié)添加到過零比較器裝置的前端。

5結(jié)論

直流無刷電機(jī)需要在沒有位置傳感器的前提下正常運(yùn)行，這就導(dǎo)致系統(tǒng)控制難度提高，檢測(cè)位置信號(hào)時(shí)，可選擇電感法、續(xù)流二極管法以及反電動(dòng)勢(shì)法等。本文運(yùn)用反電動(dòng)勢(shì)法，重點(diǎn)研究過零檢測(cè)電路的相關(guān)問題，運(yùn)用軟件對(duì)過零信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，選擇中斷方式時(shí)，需要加設(shè)比較電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)三角脈沖的過濾;也可選擇CPU查詢的方法完成檢測(cè)任務(wù)，需在PWM處于低電平階段完成查詢。

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