十二狀態(tài)無刷直流電機(jī)控制研究

張衛(wèi)豐

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信學(xué)院，廣東 深圳 518172）

十二狀態(tài)無刷直流電機(jī)控制研究

張衛(wèi)豐

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信學(xué)院，廣東 深圳 518172）

利用相序圖，闡述了無刷直流電機(jī)兩相三相輪流導(dǎo)通十二狀態(tài)控制方法。借助Ansoft軟件，對(duì)兩相三相輪流導(dǎo)通十二狀態(tài)控制法和兩相導(dǎo)通六狀態(tài)控制法進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，十二狀態(tài)控制法，電機(jī)相電壓更接近正弦波，電流諧波較小。利用75W電機(jī)進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示十二狀態(tài)控制法，電機(jī)電流接近正弦波形，而兩相導(dǎo)通六狀態(tài)控制法為梯形，十二狀態(tài)控制法電機(jī)性能優(yōu)于兩相導(dǎo)通六狀態(tài)控制法。

十二狀態(tài)控制、無刷直流電機(jī)、六狀態(tài)控制

無刷直流電機(jī)（Brushless Direct Current (BLDC) motors，BLDCM）不用電刷來換向，而是采用電子換向。與有刷直流電機(jī)以及感應(yīng)電機(jī)相比，具有好的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、高效率、壽命長(zhǎng)、噪音低、寬轉(zhuǎn)速范圍等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于其輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)體積之比更高，使之在空間與重量要求較高應(yīng)用中，大有用武之地。它是一種正快速普及的電機(jī)，將廣泛應(yīng)用于家用電器、汽車、航空航天、消費(fèi)品、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和儀器等領(lǐng)域[1-2]。

BLDC電機(jī)控制上一般采用兩相導(dǎo)通六狀態(tài)控制法[3-4]。該控制方法電路簡(jiǎn)單，控制方便，但電機(jī)相電壓為方波，電流諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。

近年來，為進(jìn)一步提高BLDC電機(jī)系統(tǒng)性能，許多學(xué)者都將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到提高其效率，降低噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等準(zhǔn)正弦波和正弦波驅(qū)動(dòng)方向。因此，準(zhǔn)正弦波和正弦波驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)將是BLDC電機(jī)控制的趨勢(shì)[2,5-6]。

基于此，本文提出了一種十二狀態(tài)控制法，與兩相導(dǎo)通六狀態(tài)控制方法相比，該控制法相電壓更接近于正弦波形，電流脈動(dòng)較小，功率密度增加，是無刷直流電機(jī)更為理想的控制方式。

1 十二狀態(tài)控制邏輯時(shí)序分析與仿真

直流無刷電機(jī)控制中，采用的三相全橋主電路及框圖均如圖1所示。傳統(tǒng)方波控制中，電機(jī)以三相六狀態(tài)運(yùn)行，每一時(shí)刻，均有兩相繞組通電，一個(gè)電周期中，有6個(gè)通電狀態(tài)，具體通電規(guī)律如表1所示（以順時(shí)針方向?yàn)槔?/p>

圖1 BLDC 驅(qū)動(dòng)主電路及控制框圖Fig.1 Driving circuit and control block diagram of BLDC

表1 三相繞組通電順利（順時(shí)針）Tab.1 Sequence of windings for rotating the motor in clockwise direction

十二狀態(tài)控制方式，一個(gè)電周期內(nèi)共有12個(gè)通電狀態(tài)，如圖2所示。圖中，Ha、Hb、Hc為霍爾傳感器信號(hào)，U、V、W為馬達(dá)三相端電壓，Uo為第一相繞組相電壓。在30～60°、90～120°、150～180°、210～240°、270～300°、330～360°內(nèi)導(dǎo)通繞組與兩相導(dǎo)通六狀態(tài)相同，而0～30°、60～90°、120～150°、180～210°、240～270°、300～330°為相序變化的交界狀態(tài)，處于交界狀態(tài)的繞組導(dǎo)通電壓為處于導(dǎo)通中間狀態(tài)的繞組電壓的一半，這樣得到的相電流或電壓更接近于正弦波。

圖2 十二狀態(tài)相序邏輯圖Fig.2 Phase sequence diagram of twelve -step commutation control

圖3為Ansoft仿真相電壓與十二狀態(tài)邏輯相電壓的對(duì)比波形（綠線為邏輯電壓），圖4為Ansoft仿真相電壓與兩相導(dǎo)通六狀態(tài)邏輯相電壓的對(duì)比波形（藍(lán)線為邏輯電壓）?？梢钥闯鰞上嗳噍喠鲗?dǎo)通十二狀態(tài)輸出電壓波形比兩相導(dǎo)通六狀態(tài)更接近正弦波。

圖3 Ansoft仿真相電壓與十二狀態(tài)邏輯相電壓圖Fig.3 Ansoft simulation phase voltage waveform and logic phase voltage waveform of twelve -step control

圖4 Ansoft仿真相電壓與兩相導(dǎo)通六狀態(tài)邏輯相電壓圖Fig.4 Ansoft simulation phase voltage waveform and logic phase voltage waveform of six-step control

在直流無刷馬達(dá)控制中，三個(gè)霍爾傳感器，共有6個(gè)狀態(tài)，分別在0°、60°、120°、180°、240°、300°狀態(tài)發(fā)生改變，對(duì)應(yīng)于六狀態(tài)控制法的六個(gè)換相點(diǎn)。相對(duì)于兩相六狀態(tài)控制法，十二狀態(tài)控制法比六狀態(tài)控制法邏輯復(fù)雜。在十二狀態(tài)控制法中，需要的換相點(diǎn)有：0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°。其中，30°、90°、150°、210°、270°、330°換相點(diǎn)不能由硬件完成，需要MCU定時(shí)器在霍爾傳感器六狀態(tài)控制的基礎(chǔ)上定時(shí)30°來實(shí)現(xiàn)。即檢測(cè)到霍爾信號(hào)變化后，處理完成本扇區(qū)的換相外，還需為下一個(gè)扇區(qū)進(jìn)行定時(shí)。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，我們制作了額定電壓45V，功率75W的BLDC樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)中，分別采用兩相三相輪流導(dǎo)通十二狀態(tài)控制法和兩相導(dǎo)通六狀態(tài)控制法對(duì)此樣機(jī)在空載條件下進(jìn)行控制，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相電流波形如圖5、圖6所示。

圖5 十二狀態(tài)控制電流波形Fig.5 Winding current waveform of twelve-step commutation control

圖6 兩相導(dǎo)通六狀態(tài)控制電流波形Fig.6 Winding current waveform of six -step commutation control

從圖5、圖6可以看出，在相同負(fù)載條件下，十二狀態(tài)控制算法電流波形接近正弦波形，而兩相導(dǎo)通六狀態(tài)控制法電流波形呈梯形，從實(shí)驗(yàn)中振動(dòng)及噪音情況來看，十二狀態(tài)控制算法的振動(dòng)和噪音都要優(yōu)于兩相導(dǎo)通六狀態(tài)控制法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析及仿真分析結(jié)果一致。

3 結(jié)論

分析了兩相三相輪流導(dǎo)通十二狀態(tài)控制方法，仿真結(jié)果證明，十二狀態(tài)控制方法相電壓為4個(gè)階梯的梯形波，比六狀態(tài)2個(gè)階梯的梯形波更接近正弦波，電流脈動(dòng)更小。實(shí)際控制中，可通過MCU定時(shí)器實(shí)現(xiàn)兩相三相輪流導(dǎo)通十二狀態(tài)控制法的換相控制。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，十二狀態(tài)控制算法電流波形接近正弦波形，而兩相導(dǎo)通六狀態(tài)控制法電流波形呈梯形，十二狀態(tài)控制算法電機(jī)振動(dòng)及噪音均優(yōu)于兩相導(dǎo)通六狀態(tài)控制法，為工程應(yīng)用提供了借鑒。

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Twelve-step commutation control of BLDC motor

ZHANG Weifeng
（Shenzhen Institute of Information Technology，Shenzhen 518172,P.R.China）

The 12-step congtrol of Brushless Direct Current (BLDC) motors with two-phase stator windings and three-phase stator windings alternating conduction is described by phase sequence diagram .The 12-step commutation control with two-phase stator windings and three-phase stator windings alternating conduction and the 6-step commutation control with two-phase stator windings conduction are simulated using the Ansoft.The simulation results show that the phase voltage waveform of 12-step commutation control is approximatively sinusoidal and the current harmonics content is lower.The contrast experiment is done with the BLDC of 75W power.The results demonstrate that the phase current waveform of 12-step commutation control is approximatively sinusoidal and the phase current waveform of the 6-step commutation control is trapezoidal.So,the the BLDC performance of 12-step commutation control is better than the 6-step commutation control.

twelve-step commutation control;BLDC motor;six-step commutation control

TM33

A

1672-6332（2015）01-0022-04

【責(zé)任編輯：楊立衡】

2015-03-10

廣東省自然科學(xué)基金博士啟動(dòng)項(xiàng)目（S2012040007242）；深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目（JCYJ20140418100633638）；深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（lg201420）及教學(xué)研究項(xiàng)目（JY2013110）

張衛(wèi)豐（1978-），男（漢），湖北丹江口人，副教授，博士，主要研究方向：新型電源技術(shù)，電機(jī)控制及其功率變換技術(shù)。E-mail:zhangwf@sziit.edu.cn