基于單片機的無位置傳感器無刷直流電機控制*

胡發(fā)煥， 任志斌， 潘春榮

(江西理工大學，江西 贛州 341000)

0 引 言

無刷直流電機(Brushless DC Motor, BLD-CM)具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速性能好、效率高、噪聲低等優(yōu)點，克服了直流電機有電刷的缺陷，廣泛應用于工業(yè)、電動車輛驅(qū)動、醫(yī)療機械等領域。BLDCM安裝位置傳感器，在一定程度上增加了電機的體積和成本，但降低了電機系統(tǒng)的可靠性。因此，使BLDCM在無位置傳感器條件下能正常工作具有重要意義。要使BLDCM在無位置傳感器條件下正常工作，獲取電機的起動和轉(zhuǎn)子位置信號是須解決的兩個關鍵問題。

1 無位置傳感器BLDCM的起動控制

BLDCM無位置傳感器條件下常用的起動方式有： 預定位起動法、三段式起動法、升壓式起動法、短時轉(zhuǎn)子脈沖檢測定位法等。

1.1 無位置傳感起動方式的比較

(1) 預定位起動法[1]。其優(yōu)點是起動程序簡單，但給預定線圈通電時，易產(chǎn)生震動，一般適合空載起動；(2) 三段式起動法[2]。其優(yōu)點是起動平緩，但受負載和外設電壓等條件影響較大，穩(wěn)定性不夠好；(3) 升頻升壓式起動法[3]。其對電壓和切換時間沒有嚴格的要求，但需附加起動電路，加大了電機的體積和生產(chǎn)成本。(4) 短時轉(zhuǎn)子脈沖檢測定位法。其利用線圈電感的大小受電機磁路飽和影響的原理，在電機靜止或低速狀態(tài)下運行時，對定子繞組施加不同方向的短時脈沖電壓矢量，通過檢測不同電壓矢量下直流母線的峰值電流，來確定轉(zhuǎn)子的位置。

本文采取短時轉(zhuǎn)子脈沖檢測定位法進行起動和低速時的轉(zhuǎn)子位置檢測。

1.2 短時脈沖檢測轉(zhuǎn)子位置法

由BLDCM的原理可知，其按一定的順序給定子線圈輪流通電，使定子內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，通過定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子永磁磁場的相互作用，使轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。三相全橋式BLDCM主電路原理圖如圖1所示。

圖1 三相全橋式BLDCM主電路原理圖

由圖1可知，根據(jù)場效應管不同的開關組合，對于三組場效應管，構(gòu)成6種不同短時脈沖電壓矢量U1(1,0,0)、U2(1,1,0)、U3(0,1,0)、U4(0,1,1)、U5(0,0,1)、U6(1，0,1)(1表示該組的上橋臂導通，0則表示該組的下橋臂導通)，6個矢量將轉(zhuǎn)子所處的360°電角度分成6等份，轉(zhuǎn)子靜止和低速狀態(tài)下位置判斷原理圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子靜止和低速狀態(tài)下位置判斷原理圖

在圖2中，P(x，y)(x=1、2、3、4、5、6，y=1、2、3、4、5、6，x≠y)將脈沖電壓矢量Ux分成約30°的區(qū)間。

當電機處于靜止或低速運行時，對電機轉(zhuǎn)子進行位置檢測。為了減小施加的脈沖電壓矢量對電機定子和轉(zhuǎn)子間氣隙磁場的影響，脈沖電壓的施加順序應盡量相距大的間隔。本文按照U1、U4、U2、U5、U3、U6的順序依次施加到三相繞組上。在每個脈沖電壓矢量作用某一固定時間T，并對母線的電流進行檢測。將檢測的電流結(jié)果存入與電壓矢量編號相同的數(shù)組i[n](n=1,2,3,4,5,6)中，比較電流值i[n]的大小，其最大值即為轉(zhuǎn)子所在的位置。例如i[6]為最大值，則表示是轉(zhuǎn)子處在U6所對應方向為中心的前后30°的區(qū)域內(nèi)。再比較i[1]和i[5]的大小，若i[1]>i[5]，則表示轉(zhuǎn)子處于P(6，1)所對應的30°范圍內(nèi)，反之，則轉(zhuǎn)子處P(6，5)的范圍內(nèi)；若兩電流相等，則處于U6的正中間位置。判斷出轉(zhuǎn)子的位置后，按照換相表進行換相，使電機起動，當電機轉(zhuǎn)速達到一定值，檢測出反電動勢后，即退出起動程序進入正?？刂瞥绦?。

2 無位置傳感器條件下轉(zhuǎn)子信號的獲取

2.1 轉(zhuǎn)子位置信號的獲取方法

BLDCM在無位置傳感器的情況下，有多種方法獲取轉(zhuǎn)子的位置： (1) 二極管續(xù)流法[4]。該方法靈敏度較好，但檢測電路和控制程序復雜、成本高。(2) 磁鏈法[5]。該方法檢測誤差較小，但受電機本身參數(shù)影響大，低速時易產(chǎn)生累積誤差。(3) 電感法[6]。其對軟件、硬件都要求較高，適用于具有凸極效應的無刷直流電機。(4) 智能法[7]。該方法檢測精度較高，但其系統(tǒng)復雜、成本高。(5) 反電動勢法。其優(yōu)點是原理簡單、實現(xiàn)方便。

在各種無位置傳感器的檢測方法中，反電動勢法最易實現(xiàn)、計算量小、成本最低。但反電動勢法的主要缺點有： (1) 反電動過零點后，要再延π/6的電角度才換相，電機的轉(zhuǎn)速不同其所延時間也不同，難以得到精確時延時間。(2) 電機在低速轉(zhuǎn)動時，反電動勢小，難以得到有效的位置信號。(3) 電機有3路反電動勢信號，采用定時中斷查詢的方式檢測，易產(chǎn)生延時判斷。

本文在采用反電動勢檢測法的基礎上，通過對控制電路和程序的改進，在低成本條件下，既保留了原有的優(yōu)點，又克服其缺點，能準確獲得轉(zhuǎn)子的位置信息，取得良好的控制效果。

2.2 相電壓反電動勢過零點檢測法的工作原理

BLDCM由三相逆變橋驅(qū)動，電機采用Y形接法。為產(chǎn)生最大的平均轉(zhuǎn)矩，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的不同，在一個電角度周期中，有6個換相狀態(tài)。在任意時刻，電機三相繞組中都只有兩相導通，換相的時刻取決于轉(zhuǎn)子位置，不導通相的反電動勢過零點后，再延時30°的電角度即為該相的換相時刻。

本文忽略BLDCM齒槽效應和電樞反應，且認為電機繞組電感是不隨時間變化的常量，三相繞組電壓方程可以表示為

(1)

式中：uA、uB、uC——相繞組對電源地的電壓；

iA、iB、iC——定子相電流；

eA、eB、eC——定子繞組的反電動勢；

uN——電機中性點對電源地的電壓；

R、L、M——相繞組的電阻、電感和互感。

電機繞組采用Y形接法，則存在關系

iA+iB+iC=0

(2)

uN=(uA+uB+uC)/3

(3)

電機繞組采用二二導通三相六狀態(tài)的PWM控制方式。電機繞組的反電動勢不能直接測量，需通過計算間接取得。假設某一時刻VT1和VT6導通，則A、B兩相的電流大小相等方向相反，而C相電流為0，故有

uC=eC+uN，即：

eC=uC-uN=

uC-(uA+uB+uC)/3

(4)

同理,可得

eB=uB-(uA+uB+uC)/3

(5)

eA=uA-(uA+uB+uC)/3

(6)

2.3 相電壓過零點信號的獲取

在Y形接法中，反電動勢波形隨轉(zhuǎn)子位置角呈2π/3電角度平頂寬梯形分布，反電動勢及過零點波形圖如圖3所示。為得到各相反電動勢的過零狀況，把三相電壓接入相電壓過零點檢測電路，如圖3所示。

圖3 相電壓過零點檢測電路

在圖3的電路中，R1～R6阻值相等，通過分析其電路可得M點電壓為(uA+uB+uC)/3，即uM=uN。M點和3個運算放大器的“-”相接，3個運算放大電路的“+”端通過電阻分別和電路的A、B、C相相連，運算放大器沒有接負反饋電路，工作在比較放大狀態(tài)，其放大倍數(shù)很大。

以運算放大器a為例，當eA>0，即uA>(uA+uB+uC)/3時，Ea輸出高點平，反之則Ea輸出低電平。于是分別得到A、B、C三相的反電動勢與中點電壓的比較信號Ea、Eb和Ec，其電壓波形如圖4所示。

圖4 反電動勢及過零點波形圖

圖4中，邊緣電平即為反電勢過零點時刻：Ea電平的上升沿為eA由負值變正值的過零點時刻；Ea的下降沿為eA由正值進入負值的過零點時刻，同樣Eb、Ec的上升沿、下降沿分別為eB、eC的過零點時刻。采用運算放大比較器作為反電動勢過零點檢測的一個主要優(yōu)點是比較器的放大倍數(shù)大，即使在BLDCM低速運行反電動勢信號弱的情況下，Ea、Eb、Ec也能輸出正確的波形，確保了控制系統(tǒng)在較低轉(zhuǎn)速情況下也能正常工作。

在采取反電勢過零點檢測的方法中，在某相反電動勢過零點后，再延時30°的相位角為換相時刻，因此在電機高速運行時必須以很高的采樣頻率檢測電機的反電勢信號，這樣即使采用主頻較高的控制器，也很難實時得到精確的位置信號，而精確延時30°相位角也很困難。針對反電勢控制方式的缺陷，本文利用硬件電路和C8051F310單片機的比較中斷功能，很好地解決該問題。

先把Ea、Eb、Ec3個信號經(jīng)比較中斷電路進行2次異或運算，即得到Ea、Eb、Ec的合成信號Ed。Ed的波形如圖4所示。由圖4可見，Ed的電平變化剛好反映了Ea、Eb、Ec3個信號的電平變化，即Ed的上升沿和下降降沿對應BLDCM各相反電動勢的過零時刻。

先把Ed信號接入C051F31比較電路的CP0+相接。比較中斷電路圖如圖5所示。而CP0-接入2.5V的直流電壓，接成比較中斷，比較中斷方式觸發(fā)設置成上升沿和下降沿中斷。這樣每次有反電勢過零點時，即產(chǎn)生比較中斷，通過中斷的方式準確獲得反電勢過零點時刻，而不需以高頻率查詢的方式獲取反電勢信號的變化。BLDCM每次反電勢過零點的間隔為60°相位角，而過零點后延30°的相位角即為繞組的換相時刻。這樣每次進入比較中斷后，再延時上次中斷間隔時間的一半，即為繞組的換相時刻，實現(xiàn)準確換相。

圖5 比較中斷電路圖

3 無位置傳感器BLDCM的控制策略

BLDCM無位置傳感器控制流程如圖6所示。在電機完成起動后，得到反電動勢的合成信號Ed。當Ed的第1個邊沿觸發(fā)到來時，進入CP0中斷，此時開啟定時器T0開始進行計時后，退出中斷。當Ed的第2個邊沿脈沖時，系統(tǒng)進入CP0中斷，讀取T0的值t，再使T0重新計時，并用換相時間間隔t/2裝載T1，使T1進行計時中斷，再退出CP0中斷。當T1到達中斷時間進入中斷時，即為換相時刻，根據(jù)BLDCM當前三相反電動勢信號EA、EB、EC的值，查找換相表進行換相，再退出T1中斷。之后等待下一次CP0中斷，讀取T0的t，使T0重新計時，用t/2裝載T1，使T1進行計時中斷。重復上述步驟，使電機在無位置傳感器的條件下正常運行。

圖6 BLDCM無位置傳感器控制流程圖

4 試驗結(jié)果

本文采用的測試電機基本參數(shù)： 相電阻r=2.43Ω，電感L=4.52mH，極對數(shù)為12，額定電壓為48V。在電機起動，檢測轉(zhuǎn)子位置時，施加的脈沖電壓時間為450μs,占空比為100%，不同電壓矢量間隔6ms。依次施加6個電壓矢量，并比較電流大小，從而得到轉(zhuǎn)子的位置信號。當電機的轉(zhuǎn)速達到閾值后，由電路檢測出反電動勢的過零點信號Ea、Eb和Ec，再由比較中斷電路得到3個反電動勢信號合成信號Ed，把Ed信號作為C8051F310單片機比較中斷的一個輸入端，產(chǎn)生比較中斷，按流程控制電機的正常運行。使電機在有位置傳感器狀態(tài)下運行，比較中斷電路把3個霍爾傳感器信號合成一路信號，并與反電動勢的合成信號進行比較，得到兩個信號的比較波形圖，如圖7所示。由圖7可知，在每個換相時刻，反電動勢信號比位置傳感器信號都滯后30°。對電機在有位置傳感器和無位置傳感器的條件下進行對比，其結(jié)果如表1所示。從圖7和表1的試驗結(jié)果可見，本文所設計的BLDCM無位置傳感

器控制方案能準確控制電機的運行，其控制效果與有位置傳感器基本一致。

圖7 反電動勢信號與位置傳感器信號波形圖

表1 電機各項參數(shù)值對比結(jié)果

5 結(jié) 語

本文設計的BLDCM無位置傳感器控制方案通過硬件電路和軟件程序的改進，使BLDCM能在無位置傳感器或位置傳感器失效的情況下，使電機能良好、可靠地運行，控制方案還具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低的優(yōu)點，具有較好的市場應用前景。

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