基于H_PWM-L_PWM調(diào)制的無(wú)感無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)

王寶忠， 孫健濤， 要 丹

(江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

永磁無(wú)刷直流電機(jī)(Permanent Magnet Brushless DC Motor，PMBLDCM)由于其功率密度高、效率高、控制簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制和家電產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。電機(jī)的換相，需要準(zhǔn)確檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置，而有位置傳感器的電機(jī)增加了電機(jī)的體積和成本，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，限制了電機(jī)的運(yùn)用場(chǎng)合。因此，對(duì)無(wú)位置傳感器電機(jī)控制的研究，能夠增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)一步擴(kuò)大無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

本文采用兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的控制模式，通過(guò)分析在H_PWM-L_PWM調(diào)制方式下不導(dǎo)通相續(xù)流情況，提出了在該調(diào)制方式下的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法。傳統(tǒng)的反電動(dòng)勢(shì)法［1-2］需要檢測(cè)端點(diǎn)電壓和中心點(diǎn)電壓。該方法只需要檢測(cè)端點(diǎn)電壓，通過(guò)端點(diǎn)電壓得到不導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)，再對(duì)其過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)電機(jī)速度和低通濾波頻率特性進(jìn)行相位補(bǔ)償［3］，從而獲得換相時(shí)刻。該方法下檢測(cè)到的反電動(dòng)勢(shì)是不導(dǎo)通相的兩倍反電動(dòng)勢(shì)，從而能夠更有效地檢測(cè)到電機(jī)低速時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)。

1 轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)

1.1 電機(jī)的模型

圖1 三相星形連接全橋驅(qū)動(dòng)的電路原理圖

兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的電路模型如圖1所示，電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)MOS管的導(dǎo)通順序?yàn)榧僭O(shè)［4］:(1)電機(jī)定子三相完全對(duì)稱(chēng)，空間上相差120°，三相繞組電阻、電感參數(shù)完全相同;(2)轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)為方波，三相繞組反電動(dòng)勢(shì)為梯形波;(3)忽略定子繞組電樞反應(yīng)的影響;(4)電機(jī)氣隙磁導(dǎo)均勻，磁路不飽和，不計(jì)渦流損耗。

理想狀態(tài)下，反電動(dòng)勢(shì)和繞組相電流波形如圖2所示。B相為不導(dǎo)通相時(shí)的波形如陰影部分所示。

圖2 理想狀態(tài)下的反電動(dòng)勢(shì)和相電流的波形

根據(jù)上面的假設(shè)，無(wú)刷直流電機(jī)三相繞組的電壓平衡方程為

式中:Ua、Ub、Uc和 Un——三相端電壓和中點(diǎn)電壓;

ea、eb、ec——三相反電動(dòng)勢(shì)電壓;

r，L——三相電樞繞組電阻和電感;

M——每相繞組之間的互感;

ia、ib、ic——三相繞組電流;

由三相繞組的電壓平衡方程得到端點(diǎn)電壓差方程:

由端點(diǎn)電壓差方程可推導(dǎo)出:

當(dāng)A，C相導(dǎo)通，B相不導(dǎo)通時(shí)，由于繞組為星型連接，沒(méi)有中線，所以ia+ib+ic=0。A相和C相的反電動(dòng)勢(shì)相等且相反，ea=－ec，代入式(1)可得:

從而得到B相的2倍反電動(dòng)勢(shì):

同理，可得到A相和C相的反電動(dòng)勢(shì)方程。

分析B相反電動(dòng)勢(shì)方程:如果不導(dǎo)通的B相沒(méi)有電流流過(guò)，即ib=0，就可以準(zhǔn)確地得到B相的反電動(dòng)勢(shì):eb=(Ubc－Uab)/2。

無(wú)刷直流電機(jī)的脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)控制一般有 6 種調(diào)制方式［5］，基于上述分析，該文提出采用H_PWM-L_PWM調(diào)制方式進(jìn)行無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)，該調(diào)制方式下不導(dǎo)通相電流為零。

1.2H_PWM-L_PWM調(diào)制方式分析

以不導(dǎo)通的B相為例，在該調(diào)制方式下有Q1和Q6管同時(shí)PWM_ON或同時(shí)PWM_OFF兩種情況。

當(dāng)Q1和Q6兩個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，假設(shè)，電流只從電源正經(jīng)過(guò)Q1，經(jīng)過(guò)A相、C相繞組，再經(jīng)過(guò)Q6到電源負(fù)。電流流向如圖3所示。忽略MOS管和二極管的管壓降，得到三相端電壓方程:

圖3 PWM_ON時(shí)的電流流向

當(dāng)Q1和Q6兩個(gè)MOS管都關(guān)斷時(shí)，假設(shè)B相不續(xù)流，即D2、D5沒(méi)有續(xù)流電流流過(guò)。電流流向如圖4所示。

忽略MOS管和二極管的管壓降，得到三相端電壓方程:

圖4 PWM_OFF時(shí)的電流流向

采用H_PWM-L_PWM調(diào)制方式時(shí)，不導(dǎo)通相電流為零，能夠獲得準(zhǔn)確的不導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)。

2 控制方法

該控制系統(tǒng)采用TI的TMS320F2812為主要控制芯片，DSP2812的事件管理器(EV)在運(yùn)動(dòng)控制和電機(jī)控制領(lǐng)域?yàn)橛脩?hù)提供了強(qiáng)大的控制功能［6］。系統(tǒng)的控制框圖如圖5所示。

三相端點(diǎn)電壓分壓濾波后，經(jīng)過(guò)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路(見(jiàn)圖6)，得到反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)光電隔離后送到數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Siginal Processor，DSP)的捕獲端口，DSP通過(guò)定時(shí)器計(jì)數(shù)CAP中斷的次數(shù)和讀定時(shí)器的值計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速;根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和低通濾波器的頻率特性，對(duì)獲得的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行相位補(bǔ)償，從而得到準(zhǔn)確的換相時(shí)間。

DSP2812通過(guò)比較給定的和計(jì)算的速度來(lái)進(jìn)行閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)PWM波的占空比，從而達(dá)到調(diào)節(jié)速度的目的。

圖5 系統(tǒng)的控制框圖

圖6 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路

3 仿真和試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)該反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法進(jìn)行了MATLAB的仿真，利用 MATLAB/Simulink/SimPowerSystems中的無(wú)刷電機(jī)模塊得到電機(jī)的模型，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)仿真圖

仿真結(jié)果如圖8所示。仿真所得到的B相的2倍反電動(dòng)勢(shì)為Ubcab，HB是B相反電動(dòng)勢(shì)所對(duì)應(yīng)的換相信號(hào)。仿真結(jié)果證明，該反電動(dòng)勢(shì)法能準(zhǔn)確獲得換相時(shí)刻。

圖8 MATLAB的仿真結(jié)果

試驗(yàn)采用額定電壓為24 V，額定功率為25 W，極對(duì)數(shù)為2，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)速度給定分別為150 r/min和1 500 r/min，將所檢測(cè)到的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)與電機(jī)自帶的霍爾傳感器輸出的換相波形比較。反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的相位補(bǔ)償全由DSP程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，也能準(zhǔn)確檢測(cè)到不導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)。

圖9 給定轉(zhuǎn)速分別為150 r/min和1 500 r/min的試驗(yàn)波形

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)證明，本文提出的基于H_PWM-L_PWM調(diào)制方式的轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)方法，不同于基于檢測(cè)端點(diǎn)和中心點(diǎn)電壓的反電動(dòng)勢(shì)方法。該方法只需要檢測(cè)端點(diǎn)電壓，不需要中點(diǎn)電壓;通過(guò)續(xù)流分析，證明該調(diào)制方法在非導(dǎo)通相上沒(méi)有電流流過(guò)，能夠準(zhǔn)確地獲得反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn);端點(diǎn)電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)算電路后，得到不導(dǎo)通相的2倍反電動(dòng)勢(shì)，說(shuō)明比傳統(tǒng)反電動(dòng)勢(shì)法能夠更有效地檢測(cè)到更小的反電動(dòng)勢(shì)，且有良好的低速性能。但是，采用該調(diào)制方式控制時(shí)，電機(jī)的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大［7］。

［1］林明耀，王永，李海文，等.反電動(dòng)勢(shì)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)最佳換相邏輯分析［J］.中小型電機(jī)，2003，30(5):14-16.

［2］陳紅平，楊喜軍，葛萬(wàn)來(lái)，等.BLDCM直接反電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)控制系統(tǒng)研究［J］.電力電子技術(shù)，2005，39(1):61-63.

［3］何小紅.無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.西安:西安科技大學(xué)，2009.

［4］劉剛，王志強(qiáng)，房建成.永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［5］Li Qiang，Huang Hai Yin，Bin Chuan.The study of pwm methods in permanent magnet brushless dc motor speed control system［C］∥Proceedings of the11th International Conference on Electrical Machines and Systems，ICEMS 2008，2008:3897-3900.

［6］王忠勇，陳恩慶.DSP原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.