劉全龍，周奇勛，2，王 茜，毛 誠，暢沖沖

(1.西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054；2.徐州凱思特機電科技有限公司，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

礦用通風機在煤礦生產中起著重要作用，其工作性能的優(yōu)劣嚴重影響現(xiàn)場工作人員的安全以及煤礦生產的效率[1-3]。在實際工作中，礦用通風機大都處于輕負載狀態(tài)，導致傳統(tǒng)礦用通風機負載率及效率較低，造成電能的浪費[4-6]。因此，采用無刷直流電機(brushless direct current motor，BLDCM)實現(xiàn)礦用通風機能有效的節(jié)約電能[7-9]。

BLDCM具有調速范圍寬、低速下輸出大轉矩、效率高、過載能力強等特點，在礦用通風機、航空航天及軌道交通等多領域得到了廣泛的應用[10]。BLDCM通常采用位置傳感器確定電機轉子位置，但安裝位置傳感器增加電機的成本與制造難度[11-13]，降低電機驅動系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，因此國內外許多學者對無位置傳感器無刷直流電機控制技術已有很多深入的研究[14]。目前，無位置傳感器無刷直流電機驅動器對轉子定位的方式主要有續(xù)流二極管導通檢測定位法、反電動勢過零檢測定位法、磁鏈定位法等[15]。因為反電勢定位法容易實現(xiàn)，可靠性高，且系統(tǒng)控制算法比較簡單，所以該方法是被應用最多的轉子位置定位的方法。然而很多對無位置BLDCM控制器的研究都集中在低壓驅動，較小調速范圍內。高壓BLDCM由于電機在低轉速運行時電機端電壓經過電阻分壓后幅值太小無法與虛擬中性點電壓相比較，從而導致無法獲得反電勢過零點[16]；當電機在高速運行時，過高的反電勢有可能損壞反電勢過零檢測電路，導致驅動器無法獲得反電勢過零點信號，使得控制器無法驅動電機在高速狀態(tài)下運行。因此采用傳統(tǒng)反電勢過零點采樣電路定位轉子位置不適用于高壓無位置傳感器BLDCM。

1 BLDCM控制原理

BLDCM的逆變電路的控制方式有二二導通和三三導通2種，二二導通方式每次只有2個開關管同時導通很好地利用了電機方波氣隙磁場的平頂部分，使得電機的出力大，電磁轉矩比三三導通方式大、且轉矩平穩(wěn)性好，因此三相H橋的導通方式使用的是二二導通方式。如圖1中無位置傳感器BLDCM控制器主電路拓撲所示的IGBT標號為例，一個周期中IGBT導通順序是T1T4，T1T6，T3T6，T3T2，T5T2，T5T4，共6種導通狀態(tài)，每隔60°改變一次導通狀態(tài)，每次改變僅切換一個開關管，每個IGBT連續(xù)導通120°[17]。BLDCM工作在三相六狀態(tài)、正向轉動時，IGBT(T1～T6)的通斷規(guī)律及電機的懸空相[18],見表1。

表1 無位置傳感器BLDCM 6步換相規(guī)律

圖1 驅動器主電路拓撲

2 反電動勢過零檢測原理

2.1 傳統(tǒng)反電勢檢測設計

為獲得轉子當前位置，BLDCM控制系統(tǒng)需具備轉子位置檢測環(huán)節(jié)。在有位置傳感器的系統(tǒng)中，轉子位置的檢測是通過位置傳感器來實現(xiàn)的。對于無位置傳感器的設計，則一般是通過檢測反電勢過零點來獲取轉子位置信息。傳統(tǒng)的反電勢采樣電路中沒有并聯(lián)的三級管電路，只有電阻分壓及電容濾波電路，將采集的反電勢經過分壓后送入比較器中與模擬中性點電壓相比較得到A相過零點，B相和C相與A相采用相同的檢測方法獲取反電勢過零點信號，來實現(xiàn)位置檢測。

傳統(tǒng)反電勢法BLDCM的數學模型方程

(1)

(2)

(3)

式(1)、(2)、(3)中Ua,Ub,Uc為BLDCM的三相端電壓，V；UN為星形連接中性點電壓，V；R和L為三相電樞繞組電阻和電感，Ω，H；ea,eb,ec為三相反電動勢，V;ia,ib,ic為三相繞組電流，A。

假設在電機運行的某一時刻A相正向導通，B相負向導通，C相懸空時。電流從A相流進B相流出，則Ua=VDC-VCE，ia=-ib，ic=0，其中VDC為母線電壓;VCE為IGBT導通壓降，可求出Uc,UN。

Ua+Ub=ea+eb+2UN

(4)

Ua=VDC-VCE

(5)

Ua+Ub=ea+eb+2UN

(6)

由式(4)、式(5)、式(6)求得UN。

(7)

將ic=0代入(3)可得懸空的C相電壓。

Uc=UN+ec

(8)

根據式(8)在AB相繞組通電期間的過零點時刻，C相端電壓與中性點電壓相等。因此以虛擬中性點作為參考電壓，將三相端電壓與參考電壓輸入電壓比較電路，兩者進行比較運算，比較器產生過零翻轉信號，該信號被輸入到微控制器的中斷，來確定過零時刻完成對轉子位置的確定。

2.2 寬電壓范圍反電勢檢測設計

由于BLDCM的轉速僅與電樞電壓和磁場強度有關，因此圖2和圖3中設計的反電勢檢測電路避免了電機運行在高速段時檢測電路易損壞，低速段時反電勢信號又難以可靠檢測的問題[19]，設計了在三相反電勢采樣電路上分別并聯(lián)三極管來控制R16，R19，R22電阻上的電壓，根據電機速度調節(jié)三極管PWM信號占空比，在高速時占空比線性增大，在低速時占空比線性減小。控制三極管斬波信號的占空比是根據電機轉速線性調節(jié)控制，使得反電勢采樣電路上的電壓通過三極管斬波控制到合理范圍內，能有效地改善在極限速度時反電動勢過零檢測效果。設計的高壓電機反電動勢過零檢測電路可以保證檢測反電勢過零點的可靠性使電機轉速能在更寬范圍內穩(wěn)定運行。

圖2 電機反電勢檢測電路

圖3 A相反電勢過零比較電路

3 BLDCM控制系統(tǒng)軟硬件設計

3.1 控制系統(tǒng)主要硬件電路設計

3.1.1 BLDCM控制系統(tǒng)結構

高壓無位置傳感器無刷直流電機控制系統(tǒng)主控制芯片采用的是STM32F103RCT6，該芯片處理速度快，外設資源豐富，比其他同價格單片機的計算和控制性能更強。三相逆變橋采用的是IPM模塊，其高集成度減少了外圍電路的設計，使得驅動模塊設計難度和成本大大降低。無傳感器驅動方案與有傳感器驅動方案相比較穩(wěn)定性更好且成本更低。因此與BLDCM傳統(tǒng)控制方案相比較，以STM32F103RCT6為核心設計的無位置傳感器驅動控制系統(tǒng)具有更好的市場應用前景。如圖4所示控制系統(tǒng)主要包含整流、驅動、檢測、通信等主要模塊。

圖4 控制系統(tǒng)結構

3.1.2 控制系統(tǒng)電源電路設計

控制系統(tǒng)采用的開關電源與線性電源結合的方式為控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。其中系統(tǒng)的開關電源使用的是BUCK拓撲，將300 V轉換成15 V高壓控制芯片采用的是VIper22A，該芯片輸入電壓范圍寬、開關頻率高，還具有過熱、過流和過壓保護，與常見的離線式變換器相比，成本降低，有利于大規(guī)模生產；15 V轉5 V使用的是LM2596-5.0芯片，該芯片的斬波頻率100 kHz具有輸出紋波小，帶載能力強，穩(wěn)定性高等特點。

3.1.3 主控單元電路設計

STM32F103RCT6增強型系列由意法半導體公司設計；使用高性能ARMCortex-M3的32位RISC內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到2條APB總線的外設。STM32F103RCT6作為電機控制，具有高級定時器驅動三相電機，2個12位高精度AD作為相電流采樣，高達72 MHz時鐘可以為電機控制提供高效運行速率。支持單周期乘法和高速硬件除法器，并且具有較低的價格優(yōu)勢。

3.1.4 檢測電路及驅動模塊設計

控制系統(tǒng)的電流檢測電路是直接將采集到的信號通過放大器送入MCU的ADC通道，MCU在最佳采樣時刻采集電機的電流?？刂葡到y(tǒng)中還設計過流保護電路，若出現(xiàn)過流故障現(xiàn)象，MCU將停止輸出PWM，一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。

逆變器在低壓電機電路中多采用MOSFET器件，而在高壓電機應用中，IGBT則較為廣泛?？刂葡到y(tǒng)中采用的IPM模塊是SD30M60AC，該模塊內置6個600V/30A的低損耗IGBT，集成了欠壓保護和過溫、過流保護電路，可通過調節(jié)6路PWM的占空比輸入來控制電機。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

3.2.1 控制系統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略

電機控制算法結構如圖5所示，控制算法中設置了2個PI調節(jié)器，其中轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入；經過電流PI調節(jié)器計算出定子電壓值，將定子電壓調制后作為PWM的占空比驅動IPM模塊。通過改變PWM的占空比來控制電機電壓，從而實現(xiàn)對電機轉速的控制。其中轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器。使得動態(tài)時電機轉速跟隨其給定值而變化，穩(wěn)態(tài)時轉速無靜差或盡可能小。轉速調節(jié)器對負載變化起抗擾作用，其輸出決定流過電機電流的大小。電流調節(jié)器使電機電流緊緊跟隨其給定值而變化，對電網電壓的波動起及時抗擾作用。在起動與制動過程中，使電機能夠以允許的最大電流起動，從而加快動態(tài)過程；當電機過載甚至堵轉時，電流調節(jié)器可以限制電流的最大值，起到快速自動保護的作用。

圖5 電機控制算法結構

3.2.2 系統(tǒng)控制軟件設計

如圖6所示，控制器的主程序主要完成了將速度，電流，反電勢過零信號根據通信協(xié)議定時發(fā)送給上位機的任務，在上位機上實現(xiàn)了參數的可視化。

圖6 主程序流程

礦用高壓無位置無刷直流風機采用三段式自起動的過程如圖7所示[20-21]，即電機轉子預定位，外同步開環(huán)升壓升頻加速，切換到無位置閉環(huán)工作狀態(tài)[22]。無位置BLDCM切換到閉環(huán)控制時如圖8所示，必須采用一定的方法檢測轉子位置信息才能準確換相。采用反電動勢位置檢測方法得到轉子當前的位置，由于6步換相控制中，每一個換相周期，都有一相繞組處于不導通狀態(tài)，因此通過檢測第3相反電動勢過零信號信號，可確定轉子磁極在該繞組經過的時刻。然而此時并不是最佳換相時刻，需要對相位進行一定時間的補償后，才是最佳的換相時刻[23-24]。

圖7 電機起動流程

圖8 電機閉環(huán)控制流程

4 模擬實驗驗證分析

4.1 模擬實驗平臺介紹

驗證以STM32F103RCT6微控制器為核心的礦用高壓無位置BLDCM控制系統(tǒng)搭建的模擬實驗平臺如圖9所示，其包括無位置傳感器直流無刷電機控制器、負載電機、上位機測試軟件、外部供電電源等。通過負載電機模擬礦用風機帶載狀態(tài)驗證設計的高壓無位置傳感器BLDCM控制系統(tǒng)中反電勢過零檢測電路能否穩(wěn)定地檢測出過零信號，以實現(xiàn)礦用風機控制系統(tǒng)的寬范圍為調速和電機運行效率的提升。

圖9 電機驅動系統(tǒng)測試實驗平臺

4.2 控制器調速范圍測試

為降低開關損耗與轉矩脈動，高壓無位置傳感器BLDCM控制實驗中驅動IGBT的PWM采用HPWM-LON調制方式[25]，PWM調制載波頻率為12 kHz。電機參數見表2，在實驗中電機所帶負載采用電動負載模擬器輸出，設置負載模擬為風機負載特性，然后再將實驗電機的轉速分別設置為低速60 r/min、高速6 000 r/min，通過實驗測試設計的高壓反電勢過零檢測電路能夠穩(wěn)定地檢測出過零信號。使得電機在轉速較低(60 r/min)或高速時(6 000 r/min)均能在準確時刻進行換相。

表2 電機參數

模擬實驗測試時采集電機在低速、高速運行時電機三相相電壓波形及三相反電勢過零信號波形；電機轉速在60 r/min波形如圖10所示，6 000 r/min波形時如圖11所示，反電勢過零檢測信號都比較穩(wěn)定準確；同時圖中過零信號的頻率與電機的設置速度對應的端電壓頻率一致，從而驗證控制器在高速和低速時均可穩(wěn)定可靠的檢測出反電動勢過零點，實現(xiàn)礦用風機更寬的調速范圍，實驗測試結果也與預期的效果基本一致。

圖10 電機60 r/min運行時反電勢及過零點

圖11 電機6 000 r/min運行時端電壓及過零點

5 結 論

1)礦用高壓無位置傳感器無刷直流風機控制系統(tǒng)，與異步電機相比無刷直流電機的轉子采用的是永磁體，在電機轉動過程中無刷直流電機轉子不需要勵磁電流，而異步電機需要。因此提高了礦用風機控制系統(tǒng)的效率。

2)通過對傳統(tǒng)的三相反電勢采樣電路進行改進，有效改善高低速時反電動勢過零檢測效果。使電機具有更寬的調速范圍。

3)與異步電機變頻器相比，該礦用風機控制系統(tǒng)以低成本的微型控制器為核心，控制電路供電使用設計的低成本BUCK開關電源，相較于傳統(tǒng)高壓無位置無刷直流電機控制系統(tǒng)具有成本低、體積小、易于使用等諸多優(yōu)點。

4)實驗電機的額定轉速為6 000 r/min，因此實驗結果表明設計的控制系統(tǒng)可以準確檢測反電動勢過零點，使礦用風機在1%～100%的轉速范圍內穩(wěn)定運行。