基于有無位置傳感器的無刷直流電機(jī)雙?？刂破髟O(shè)計(jì)

陳鐵錚， 顏鋼鋒

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州 310027)

0 引言

無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor，BLDCM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好、工作效率高、運(yùn)行噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化伺服、家用電器、電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)、工業(yè)過程控制、醫(yī)療器械等國民經(jīng)濟(jì)的多個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的永磁BLDCM采用內(nèi)置式位置傳感器，獲取位置信號(hào)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度較高。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于種種原因，內(nèi)置式位置傳感器往往使用1～2年就會(huì)發(fā)生損壞，在某些惡劣工作環(huán)境(如高溫潮濕環(huán)境)中持續(xù)工作壽命還會(huì)明顯縮短。如果位置傳感器在電機(jī)運(yùn)行時(shí)突然損壞(如電動(dòng)汽車正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)位置傳感器突然損壞)，就很容易引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，而且即使電機(jī)安全停轉(zhuǎn)，在不便維修的情況下也會(huì)給用戶帶來較大困擾。采用有無位置傳感器雙模式控制方法時(shí)，控制器在此情況下會(huì)自動(dòng)平滑轉(zhuǎn)換到無位置傳感器控制模式，控制電機(jī)繼續(xù)保持正常運(yùn)行，極大地增強(qiáng)了控制器的安全性與可靠性，在電動(dòng)車輛運(yùn)行安全保障方面具有重大意義，而且用戶可以在空閑狀態(tài)下自行選擇維修時(shí)間，使用更加方便。控制器在無位置傳感器控制模式下，采用反電勢(shì)法獲取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。當(dāng)電機(jī)靜止或低速運(yùn)行時(shí)，由于反電勢(shì)為零或者很小，無法準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)，利用定子鐵心線圈電感的磁飽和效應(yīng)，對(duì)定子繞組施加不同方向的短時(shí)脈沖電壓，并采用最大概率法可以獲得此狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的位置信息。

1 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)獲取技術(shù)

轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的獲取包括有位置傳感器和無位置傳感器兩種途徑。

1.1 有位置傳感器轉(zhuǎn)子位置信號(hào)獲取

位置傳感器是BLDCM的關(guān)鍵部件，它將轉(zhuǎn)子位置信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，用于控制逆變器功率開關(guān)的準(zhǔn)確切換，從而使定子各相繞組按一定順序?qū)?，?shí)現(xiàn)換相。霍爾傳感器由于其具有價(jià)格低廉、性能可靠、安裝簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)，成為較普遍使用的一種位置傳感器。霍爾位置傳感器信號(hào)檢測(cè)電路框圖如圖1所示。

圖1 霍爾位置傳感器信號(hào)檢測(cè)電路框圖

由于霍爾傳感器為開路輸出，為了獲得正確的信號(hào)，需要將經(jīng)過限流電阻R1后的信號(hào)用電阻R2上拉到霍爾傳感器的供電電壓+5 V上去。圖1中的Ha、Hb、Hc分別表示經(jīng)過處理后得到的最終位置信號(hào)，這三路信號(hào)可直接送入控制芯片。

1.2 無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置信號(hào)獲取

現(xiàn)有的無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)包括續(xù)流二極管法、狀態(tài)觀測(cè)器法、電感法、磁鏈估計(jì)法，以及最近幾年比較熱門的人工智能法等，本文將討論反電勢(shì)法。

反電勢(shì)法的原理如下:電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)后，轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的磁通就會(huì)切割定子繞組進(jìn)而產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)E。反電動(dòng)勢(shì)E的大小正比于電機(jī)的轉(zhuǎn)速及其氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鋼的極性改變時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)波形的正負(fù)方向也隨之改變。因此，只要檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)波形的過零點(diǎn)，就可以確定轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置，并以此來控制BLDCM。

本文所討論的電機(jī)采用三相橋式星型連接方式，其反電動(dòng)勢(shì)波形檢測(cè)電路如圖2所示。

圖2 反電動(dòng)勢(shì)波形檢測(cè)電路框圖

對(duì)于三相繞組為星型連接的BLDCM而言，其三相繞組電壓平衡方程為

式中:Ua、Ub、Uc——三相繞組端點(diǎn)對(duì)地電壓;

r——各相繞組電阻;

ia、ib、ic——流經(jīng)各相繞組的電流;

L——各相繞組電感;

ea、eb、ec——各相繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì);

Un——電機(jī)三相繞組中心點(diǎn)對(duì)地電壓。

在電機(jī)控制采用兩兩導(dǎo)通方式時(shí)，始終有一相是不通電的?，F(xiàn)假設(shè)B相不通電，即ib=0，由于ia+ib+ic=0，可知此時(shí)ia=-ic。在未導(dǎo)通的B相繞組中的反電動(dòng)勢(shì)波形過零點(diǎn)附近仍有ia=-ic，將式(1)與式(3)相加，可得此時(shí)中性點(diǎn)電壓:

由式(2)和式(4)得:

同理:

在采用兩兩導(dǎo)通方式時(shí)，一個(gè)周期中每相繞組導(dǎo)通120°電角度，每隔60°電角度換相一次。如圖2所示，將檢測(cè)到的反電動(dòng)勢(shì)波形信號(hào)Pa、Pb、Pc分別與參考中性點(diǎn)電壓P進(jìn)行比較，可以獲得反電動(dòng)勢(shì)波形過零點(diǎn)信號(hào)，將該信號(hào)延時(shí)30°電角度后就可以得到間接的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，也就是電機(jī)的換相點(diǎn)信號(hào)。

反電勢(shì)法的主要缺點(diǎn)在于，當(dāng)電機(jī)處于靜止和低速運(yùn)行時(shí)，無法得到正確的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，因此反電勢(shì)法存在起動(dòng)困難的問題。本文利用定子鐵心線圈電感大小受電機(jī)磁路飽和影響的原理，在電機(jī)靜止和低速運(yùn)行時(shí)，對(duì)定子繞組施加不同方向的短時(shí)脈沖電壓矢量，同時(shí)檢測(cè)不同電壓矢量下直流母線處的峰值電流響應(yīng)，利用最大概率法來確定轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置。

在圖1所示的框圖中，根據(jù)MOS管不同的開關(guān)組合，構(gòu)成6種不同的短時(shí)脈沖電壓矢量U1(1，0，0)、U2(1，1，0)、U3(0，1，0)、U4(0，1，1)、U5(0，0，1)、U6(1，0，1)，這 6 個(gè)矢量剛好將轉(zhuǎn)子所處的360°區(qū)間等分成6份。轉(zhuǎn)子靜止和低速狀態(tài)位置判定原理圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子靜止和低速狀態(tài)位置判定原理圖

圖3 中 P(x，y)(x=1，2，3，4，5，6;y=1，2，3，4，5，6;x≠y)為脈沖電壓矢量 Ux的左右30°區(qū)域。

當(dāng)進(jìn)行靜止和低速運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)時(shí)，為了盡可能減小施加的脈沖電壓矢量對(duì)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子間氣隙磁場(chǎng)的影響，脈沖電壓的施加順序應(yīng)盡量相距最大間隔，在這里將按照U1、U4、U6、U3、U5、U2的順序依次施加到三相繞組上。在每個(gè)脈沖電壓矢量作用某一固定時(shí)間T后，對(duì)母線電流進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果依次保存到與電壓矢量編號(hào)數(shù)值相同的數(shù)組iMAX［n］(n=0，1，2，3，4，5，6)中。將數(shù)組 iMAX［］中的數(shù)據(jù)順序進(jìn)行比較取得最大值。例如，如果最大值為iMAX［3］，則說明轉(zhuǎn)子當(dāng)前位于以電壓矢量U3所對(duì)應(yīng)方向?yàn)橹行牡那昂?0°區(qū)域內(nèi)。這時(shí)再比較施加脈沖電壓矢量U2和U4后所響應(yīng)的母線電流的大小，如果 iMAX［2］＞ iMAX［4］，則可以進(jìn)一步將轉(zhuǎn)子位置定位到P(3，2)所對(duì)應(yīng)的30°區(qū)間內(nèi)。但有一種特殊情況，如圖3所示，如果轉(zhuǎn)子位于兩個(gè)相鄰脈沖電壓矢量的中間區(qū)域，例如P(2，3)和P(3，2)兩塊區(qū)域的中心附近，這時(shí)位置判定結(jié)果就可能出現(xiàn)誤判情況。采用最大概率法，可以很好地解決這個(gè)問題。將脈沖電壓矢量連續(xù)循環(huán)施加數(shù)次，數(shù)組iMAX［］持續(xù)計(jì)數(shù)，取得iMAX［］中最終結(jié)果的最大值就是準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子所處區(qū)間。

2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本文所闡述的BLDCM有位置傳感器和無位置傳感器雙模式控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，該控制系統(tǒng)采用Atmel公司生產(chǎn)的Atmega48單片機(jī)作為主控芯片，處理器接收到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，轉(zhuǎn)換成與之相應(yīng)的脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路控制逆變電路中對(duì)應(yīng)MOS管的開關(guān)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的控制。

2.1 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)獲取電路

轉(zhuǎn)子位置信號(hào)獲取電路包括霍爾傳感器電路(見圖1)和反電動(dòng)勢(shì)波形過零點(diǎn)檢測(cè)電路(見圖2)兩個(gè)模塊。

霍爾傳感器電路將所獲得三路方波信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)的三個(gè)I/O端口，處理器將定時(shí)掃描這三個(gè)端口以獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。

反電動(dòng)勢(shì)波形過零點(diǎn)檢測(cè)電路將檢測(cè)到的三路反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)方波信號(hào)同樣發(fā)送到單片機(jī)的三個(gè)I/O端口，處理器也將定時(shí)掃描這三個(gè)端口，獲得信號(hào)后還需依據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速延時(shí)30°電角度時(shí)間才能得到準(zhǔn)確轉(zhuǎn)子位置。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)信號(hào)預(yù)處理電路和三相全橋逆變電路兩個(gè)模塊組成。

利用單片機(jī)的三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的相位修正模式可以產(chǎn)生6路帶可編程死區(qū)的PWM信號(hào)。這6路PWM信號(hào)分別發(fā)送給逆變電路前的驅(qū)動(dòng)信號(hào)預(yù)處理電路，預(yù)處理電路將處理器輸出的+5 VPWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成有一定電流輸出能力的+15 V驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加到對(duì)應(yīng)MOS管的柵極與源極之間以控制MOS管按需要邏輯開通或關(guān)斷。

全橋逆變電路由6個(gè)MOS管組成。逆變電路在設(shè)定邏輯順序的PWM信號(hào)控制下順序?qū)ɑ蜿P(guān)斷以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常換相。

2.3 母線電流檢測(cè)電路

母線電流檢測(cè)電路通過檢測(cè)放置在母線負(fù)端回路里的康銅絲兩端的電壓以達(dá)到檢測(cè)母線電流的目的，獲得的電壓經(jīng)過一級(jí)運(yùn)放的信號(hào)處理后發(fā)送到單片機(jī)的AD采樣通道。

采樣到的電流值主要有三個(gè)作用:(1)用于無位置傳感器控制模式下定位轉(zhuǎn)子位置;(2)用于過流保護(hù)，當(dāng)電流值大于某一閾值時(shí)直接關(guān)斷PWM輸出以防止電流過大造成的器件損壞;(3)用于限流判斷，當(dāng)電流值大于限定值時(shí)減小PWM占空比，保證需要電流的輸出。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的軟件部分由C語言編寫完成，其主要內(nèi)容包括:主控制程序、控制模式的自動(dòng)判斷選擇程序、無位置傳感器靜止起動(dòng)程序、調(diào)速程序等。

3.1 主程序

主程序的功能主要是工作模式的判斷、過流保護(hù)、限流調(diào)速。主程序的流程圖如圖5所示。

主程序開始后首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化操作，然后進(jìn)入系統(tǒng)工作模式判斷選擇程序，在程序進(jìn)行換向前先判斷電流是否達(dá)到過流保護(hù)，在電流安全的前提下進(jìn)行閉環(huán)限流調(diào)速工作。

3.2 系統(tǒng)工作模式判斷程序

圖5 主程序流程圖

對(duì)系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行判斷選擇的主要依據(jù)是位置信號(hào)正常與否。當(dāng)檢測(cè)到的A、B、C三相位置信號(hào)按照確定的順序(001-011-010-110-100-101)正常變化時(shí)，系統(tǒng)采用有位置傳感器工作模式;當(dāng)檢測(cè)到的位置傳感器信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，還要進(jìn)一步進(jìn)行判斷，如果位置信號(hào)只是固定在某一個(gè)正常數(shù)值或者在相鄰的兩個(gè)正常數(shù)值間循環(huán)跳變(如信號(hào)固定為001或者在001-011間反復(fù)跳變)，則電機(jī)成了堵轉(zhuǎn)情況，需要按照堵轉(zhuǎn)保護(hù)進(jìn)行處理，如果位置信號(hào)出現(xiàn)異常數(shù)值(000或111)，或者數(shù)值隨機(jī)跳變的情況(如001直接變化到100)，則系統(tǒng)應(yīng)采用無位置傳感器工作模式。系統(tǒng)工作模式判斷選擇程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)工作模式判斷選擇程序流程圖

3.3 無位置傳感器起動(dòng)程序

BLDCM的有位置傳感器控制情況下，電機(jī)的起動(dòng)控制程序較為簡(jiǎn)單，只需依據(jù)位置傳感器檢測(cè)到位置信號(hào)，按照確定的換相對(duì)應(yīng)表，用一定的PWM占空比控制導(dǎo)通逆變橋中相應(yīng)相的MOS管即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常起動(dòng)。無位置傳感器控制情況下的起動(dòng)控制程序則要復(fù)雜得多。

無位置傳感器控制程序開始后，程序按照前文所述原理，向電機(jī)中依次施加短時(shí)脈沖電壓，同時(shí)控制程序利用A/D模塊持續(xù)監(jiān)測(cè)母線電流響應(yīng)情況，然后利用最大概率法就可以判定當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)確定的換相對(duì)應(yīng)表實(shí)現(xiàn)換相。通過試驗(yàn)方法事先確定轉(zhuǎn)速閾值，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于閾值后，反電勢(shì)法可以檢測(cè)出正確的反電動(dòng)勢(shì)過零信號(hào)，若轉(zhuǎn)速尚未達(dá)到閾值，則繼續(xù)施加短時(shí)脈沖電壓并進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置判斷。無位置傳感器起動(dòng)程序如圖7所示。

圖7 無位置傳感器起動(dòng)程序

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中所采用的樣機(jī)基本參數(shù)如下:相電阻r=2.37 Ω，電感 L=0.004 32 H，極對(duì)數(shù) p=24，額定電壓U=48 V。

試驗(yàn)的硬件平臺(tái)如圖4所示。

無位置傳感器控制模式下，轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)時(shí)，施加脈沖電壓采用周期為400 μs、占空比為100%的PWM信號(hào)，不同電壓矢量之間間隔5 ms。圖8為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子某個(gè)位置，依次施加6個(gè)電壓矢量，直流母線端檢測(cè)到的電流波形。

由圖8可知施加脈沖電壓矢量U5后所檢測(cè)到的母線電流值 iMAX［5］最大，而且 iMAX［6］＞iMAX［4］，說明轉(zhuǎn)子此時(shí)位于 P［5，6］所對(duì)應(yīng)的 30°區(qū)間內(nèi)。為了防止誤判發(fā)生，將6個(gè)脈沖電壓矢量循環(huán)施加三次母線電流檢測(cè)結(jié)果累加計(jì)數(shù)，該次試驗(yàn)得到轉(zhuǎn)子位置為P［5，6］區(qū)間，霍爾位置傳感器A、B、C三相此時(shí)位置信號(hào)為100(表示霍爾A信號(hào)為高電平，霍爾B、C信號(hào)為低電平)，轉(zhuǎn)子位于以U5為中心的60°區(qū)間內(nèi)，兩者判定結(jié)果吻合。

圖8 施加脈沖電壓后母線電流波形

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到閾值后，可以檢測(cè)出正確穩(wěn)定的反電動(dòng)勢(shì)過零信號(hào)，反電動(dòng)勢(shì)波形檢測(cè)電路如圖2所示，由于電路結(jié)構(gòu)中存在濾波延時(shí)成分，對(duì)過零信號(hào)產(chǎn)生了延時(shí)影響，令硬件延時(shí)時(shí)長為t1，延時(shí)30°電角度所需時(shí)間為t2，則檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)后程序處理信號(hào)所需延時(shí)時(shí)長為t2-t1。B相反電動(dòng)勢(shì)過零信號(hào)和B相霍爾位置信號(hào)波形圖如圖9所示。圖9中上面的波形為B相霍爾位置信號(hào)，下面的波形為B相的反電動(dòng)勢(shì)過零信號(hào)。

圖9 B相反電勢(shì)過零信號(hào)和霍爾位置信號(hào)波形圖

為了檢測(cè)系統(tǒng)的有、無位置傳感器工作模式自動(dòng)判別選擇功能，在電機(jī)工作于有位置傳感器模式下正常運(yùn)行時(shí)，拔掉B相的霍爾信號(hào)線，試驗(yàn)證明控制器能夠自動(dòng)平滑地轉(zhuǎn)到無位置傳感器模式繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，且在電機(jī)靜止后能夠在帶載的情況下正常起動(dòng)。在1.5 kW測(cè)功機(jī)上測(cè)出的有位置傳感器和無位置傳感器兩種控制模式下電機(jī)工作效率最高時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。

表1 電機(jī)工作效率最高時(shí)各項(xiàng)參數(shù)值

表1中:U為直流母線電壓;I為直流母線電流;M為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;P1為電機(jī)輸入功率;P2為電機(jī)輸出功率;EFF為電機(jī)最高工作效率。

試驗(yàn)結(jié)果表明本文所闡述的BLDCM有位置傳感器和無位置傳感器雙模式控制的可行性，也證明了電機(jī)在兩種模式間能夠自動(dòng)正確轉(zhuǎn)換并且在兩種工作模式下都有較高的工作效率。

5 結(jié) 語

BLDCM有位置傳感器和無位置傳感器雙模式控制器能夠較好地解決在單一工作模式下工作的不足之處，具有更強(qiáng)的安全性與可靠性。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低，無需更改現(xiàn)有BLDCM結(jié)構(gòu)就能直接使用，具有較廣的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

［1］LeeWook Jin，Sul Seung Ki.A new starting method of bldc motors without position sensor［J］.IEEE Trans Industrial Electronics，2004(4):2397-2402.

［2］張琛.直流無尉電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［3］呂志勇，江建中.永磁無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制綜述［J］.中小型電機(jī)，2000，27(4):33-36.

［4］羅隆福，楊艷.BLDCM無位置傳感器換相檢測(cè)和開環(huán)起動(dòng)的軟件實(shí)現(xiàn)［J］.微特電機(jī)，2002，30(3):39-41.