無位置傳感器的無刷直流電機(jī)起動方式研究

郝玲玲，瞿成明，喬永鳴（安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽蕪湖241000）

無位置傳感器的無刷直流電機(jī)起動方式研究

郝玲玲，瞿成明，喬永鳴
（安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽蕪湖241000）

無位置傳感器無刷直流電機(jī)通常采用端電壓法檢測反電勢過零點來檢測轉(zhuǎn)子位置，但當(dāng)電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速很低時，由于反電勢與轉(zhuǎn)速成正比，因此無法檢測到反電勢的值。針對這一問題，提出了一種基于三段式起動的120°觸發(fā)器和瞬時切換的他控式起動方法。在Matlab/Simulink環(huán)境下建立無刷直流電機(jī)的仿真模型，通過其中的120°觸發(fā)器模塊、切換模塊以及時鐘信號來完成無刷直流電機(jī)的順利起動。實驗結(jié)果證明了該起動方法的有效性。

無刷直流電機(jī)；反電動勢；起動；Matlab/Simulink

近年來，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，無刷直流電機(jī)（brushless DCmotor，BLDC）的優(yōu)勢更加明顯，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，例如在航空航天、醫(yī)療設(shè)備、家用電器、電動車和機(jī)器人等一些重要領(lǐng)域，因此完善無刷直流電機(jī)各方面性能以及優(yōu)化控制方法成為國內(nèi)外學(xué)者的研究重點。由于位置傳感器增加了電機(jī)的成本和體積，而且控制系統(tǒng)易受外部環(huán)境干擾，因此，一些國內(nèi)外學(xué)者深入研究了無位置傳感器控制的無刷直流電機(jī)。無位置傳感器控制的關(guān)鍵部分是轉(zhuǎn)子的位置檢測，其主要方法有反電動勢法、電感檢測法、狀態(tài)觀測器法、磁鏈估計法、人工智能法等［1］。這些轉(zhuǎn)子位置檢測方法各有優(yōu)缺點。研究人員對基于轉(zhuǎn)子位置檢測的無位置控制方法進(jìn)行了不斷完善，但盡管如此，無位置傳感器BLDC的自起動問題一直是當(dāng)前無刷直流電機(jī)領(lǐng)域的一個新的研究熱點和難點。針對這個問題，一些國內(nèi)外學(xué)者提出了三段式起動、預(yù)定位方式起動、硬軟件升頻升壓同步起動、智能起動、短時檢測脈沖轉(zhuǎn)子定位起動、外同步驅(qū)動方式起動等多種起動方法。這些起動方法各有優(yōu)缺點，適用不同的應(yīng)用場合，但一般都會存在轉(zhuǎn)子初始位置精度不高、起動抖動等缺點［2-3］。為了能使無位置傳感器BLDC順利起動，同時能夠提高定位精確度以及改善其起動性能，本文提出了一種基于三段式起動的外同步他控式起動方法。此方法主要通過120°觸發(fā)器與瞬時切換裝置以及時鐘信號和一些關(guān)鍵模塊的閾值來控制BLDC起動。

根據(jù)BLDC無位置傳感器控制原理以及相關(guān)方程式在Matlab/Simulink環(huán)境下建立控制系統(tǒng)的仿真模型，對其中的起動部分進(jìn)行設(shè)計與調(diào)試，設(shè)置合適的閾值來控制電機(jī)正常起動。同時無位置傳感器控制的BLDC仿真模型采用了S-Function，不僅系統(tǒng)執(zhí)行速度快，而且結(jié)合C語言優(yōu)勢使模塊的功能更容易實現(xiàn)。

1　反電勢檢測方法

當(dāng)轉(zhuǎn)子極性改變時，反電勢波形正負(fù)也隨著改變，因此只要測出反電勢過零點就可以確定轉(zhuǎn)子位置，再通過控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)來控制換相［4］。三相星型聯(lián)接的BLDC以兩兩導(dǎo)通方式運行，每一瞬間導(dǎo)通兩個功率管，其驅(qū)動原理如圖1所示。每60°換相一次，一個周期內(nèi)換相6次，每次導(dǎo)通120°電角度，由于反電勢過零點信號與正確的換相時間相差了30°電角度，因此需將此信號延遲30°電角度來獲得換相點［5-6］。各功率管導(dǎo)通順序：V6V1，V1V2，V2V3，V3V4，V4V5，V5V6，…，相應(yīng)的三相繞組通電順序依次為［6-7］：AB，AC，BC，BA，CA，CB，…。

圖1　BLDC反電勢法驅(qū)動原理

通過無刷電機(jī)電壓平衡方程［7-8］：

以及圖1的原理框圖可以列出三相定子繞組的端電壓方程組［8］：

式中uN為中性點電壓。先導(dǎo)通VT1和VT6，斷開C相，則ia=-ib，ic=0。當(dāng)C相反電勢過零點時，ea+eb+ec=0，從而帶入式（2）化簡可得：

利用反電勢檢測電路將端電壓經(jīng)電阻分壓濾波后得到檢測信號，再將它們分別與電機(jī)模擬中性點電壓比較，得到標(biāo)準(zhǔn)方波，最后延時30°后作為換相信號［8-9］。該電路簡單可靠，省去了對電機(jī)中性點的電壓的計算。

2　BLDC起動方法

由于反電勢與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)電機(jī)在低速或靜止的情況下無法檢測到反電勢，因此無法確定轉(zhuǎn)子位置。針對這一問題，在三段式起動方法的基礎(chǔ)上提出了120°導(dǎo)通逆變器閾值切換的起動方法。該方法執(zhí)行速度快，簡單可靠，能使電機(jī)盡快檢測到反電勢的值，從而切換到閉環(huán)運行狀態(tài)。

三段式起動過程包括定位、加速和切換［10-11］。首先，按照他控式同步電機(jī)的運行狀態(tài)由靜止開始加速，一直加速到電動機(jī)的轉(zhuǎn)速足夠大，當(dāng)電動機(jī)滿足切換條件時，再切換到無刷直流電動機(jī)閉環(huán)運行狀態(tài)，因此解決靜止起動和同步切換是三段式起動方法的關(guān)鍵。

轉(zhuǎn)子預(yù)定位時盡量保持兩相繞組有一定的通電間隔。轉(zhuǎn)子定位后，并不是立即靜止不動，而是圍繞平衡點擺動［11］。當(dāng)外加電壓不變時，外同步加速通過減小電機(jī)的換相時間來進(jìn)行，加速過程中應(yīng)控制好換相時間，盡可能地接近電機(jī)的最佳換相邏輯，以防換相失敗。出于安全考慮，加速過程中所施外加電壓的占空比為10%并保持不變，同時也要控制外電壓大小和檢測繞組電流［12］。最后采用估算的方式選擇切換速度，一般為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的15%～20%［11-12］。

3　建立控制系統(tǒng)框圖

電機(jī)靜止時，通過120°導(dǎo)通逆變器來觸發(fā)相應(yīng)的功率管導(dǎo)通。開環(huán)過程持續(xù)一個或幾個換相周期后，當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速，反電勢達(dá)到一定的大小時，通過時鐘信號控制切換模塊中的閾值（通過實驗反復(fù)調(diào)試與估算給切換模塊輸入合適的時間），使電機(jī)從外同步切換到自同步狀態(tài)，即切換到無位置傳感器控制的無刷直流電機(jī)閉環(huán)控制狀態(tài)［13］。圖2是無刷直流電機(jī)在起動和運行期間的原理框圖，其操作順序如圖中各模塊關(guān)系所示，圖3是無位置傳感器BLDC起動流程。

圖2　BLDC起動方案原理框圖

圖3　無位置傳感器BLDC起動流程

4　建立系統(tǒng)仿真模型

在Matlab/Simulink環(huán)境下，建立三相BLDC起動控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示。采用模塊化建模，將整個起動控制系統(tǒng)分成各個功能獨立的子模塊，包括BLDC本體模塊、逆變模塊、切換模塊、120°觸發(fā)器模塊以及反電勢檢測模塊。根據(jù)BLDC數(shù)學(xué)模型，主要從電壓平衡方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械運動方程等幾個方面建立BLDC本體的仿真模型。

起初，無刷直流電機(jī)停滯不轉(zhuǎn)，不能立刻建立反電勢，通過120°觸發(fā)器模塊先觸發(fā)導(dǎo)通其中的某兩相，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向預(yù)定位置，接著進(jìn)行開環(huán)加速。如圖5所示的觸發(fā)器子模塊模型根據(jù)脈沖信號來依次觸發(fā)相應(yīng)的晶體管，其觸發(fā)順序為：V6V1，V1V2，V2V3，V3V4，V4V5，V5V6，…，通過縮短它們導(dǎo)通狀態(tài)的持續(xù)時間來使電機(jī)提速一段時間，最后由轉(zhuǎn)換模塊中的閾值時間來切斷觸發(fā)器使電機(jī)切換到閉環(huán)狀態(tài)［14-15］。

圖4　無位置傳感器BLDC起動控制系統(tǒng)仿真模型

圖5中切換模塊是通過3個switch模塊實現(xiàn)的，中間的switch控制信號，這里給出一個閾值時間作為控制條件。當(dāng)控制信號u2小于這個閾值時間時，接通下面接口，根據(jù)圖5中120°觸發(fā)器模塊觸發(fā)脈沖導(dǎo)通相應(yīng)功率管進(jìn)行換相；否則接通上面接口，這時就由切換模塊根據(jù)閾值切斷觸發(fā)器模塊，從開環(huán)狀態(tài)切換到閉環(huán)狀態(tài)。

圖5　切換模塊和觸發(fā)器模塊的子模塊模型

5　仿真結(jié)果

三相BLDC仿真模型的相關(guān)參數(shù)為：P=4，繞組自感L=2.45 mH，繞組互感M=-1.34 mH，相電阻r=0.65Ω，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=0.05 N·m，轉(zhuǎn)動慣量J=0.001 86 kg·m2，額定轉(zhuǎn)速nN=3 800 r/ min，額定電壓uN=48 V，輸入電壓u=150 V。

圖6顯示的是BLDC無位置傳感器起動控制中的120°觸發(fā)器的觸發(fā)脈沖波形圖，通過觸發(fā)脈沖來觸發(fā)晶體管。圖6中箭頭所示為起動階段，右邊是起動時間內(nèi)觸發(fā)信號放大圖，通過觸發(fā)器模塊觸發(fā)導(dǎo)通兩個功率管（如圖6所示的起動階段觸發(fā)導(dǎo)通B相和C相上的功率管），實現(xiàn)轉(zhuǎn)子預(yù)定位。

圖6　觸發(fā)脈沖波形及其起動階段放大圖

圖7顯示的是BLDC三相反電動勢波形及其起動階段放大圖，從圖中可以直觀看出：當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時無法獲得反電動勢，通過起動方法進(jìn)行轉(zhuǎn)子預(yù)定位、加速和切換，在開環(huán)狀態(tài)下電機(jī)處于盲目活躍狀態(tài)，一段時間后，直到獲得充足的反電勢，通過轉(zhuǎn)換模塊切換至閉環(huán)狀態(tài)，從而使電機(jī)穩(wěn)定運行，由此證明了該控制理論的正確性。

圖7　反電動勢波形及其起動階段放大圖

從圖8的放大圖可以看出速度與轉(zhuǎn)子位置變化比較平穩(wěn)，轉(zhuǎn)子從靜止緩慢移向預(yù)定位置，之后開始加速，轉(zhuǎn)子角度逐漸增大。由于不能立刻建立反電勢，電機(jī)盲目加速一段時間后，連續(xù)檢測到反電勢信號，滿足切換條件后切換到閉環(huán)狀態(tài)，起動階段電機(jī)的轉(zhuǎn)矩保持恒定。由于轉(zhuǎn)矩與磁場強弱、電流有關(guān)，所以反電勢變化體現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)矩的變化。

圖8　轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)矩波形及其起動階段放大圖

6　結(jié)束語

針對無位置傳感器控制的BLDC存在的起動問題提出了一種基于三段式起動的120°導(dǎo)通閾值切換的起動方法，它主要通過觸發(fā)器模塊、切換模塊以及時鐘信號實現(xiàn)電機(jī)起動。根據(jù)BLDC的數(shù)學(xué)模型建立仿真模型，結(jié)合狀態(tài)空間與S函數(shù)模塊實現(xiàn)相應(yīng)功能。仿真實驗實現(xiàn)了無位置傳感器BLDC的順利起動，證明了該控制方法的有效性。但是如果初始換相時間過小，第2次換相來臨前電機(jī)未到達(dá)相應(yīng)位置，而換相命令又觸發(fā)，則會使電機(jī)發(fā)生連續(xù)抖動或者發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象；如果初始換相時間過大，電機(jī)到達(dá)指定位置還未有換相指令，則電機(jī)會停頓并因慣性在原處抖動，增加不穩(wěn)定因素，因此需要嚴(yán)格控制換相時間。

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（責(zé)任編輯楊黎麗）

Research on Starting W ay for Sensorless Brushless DC M otor

HAO Ling-ling，QU Cheng-ming，QIAO Yong-ming
（College of Electrical Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China）

The sensorless brushless dc motor usually uses the method of terminal voltage detecting back em f's zero-crossing point to detect the rotor position，butwhenmotor is static or the rotor speed is very low，it is difficult to detect the back emf's value because of it is proportional to the speed.In order to solve this problem，a new start-up method based on three-step starting was designed by controlling 120°trigger and instantaneous switch.In MATLAB/SIMULINK，brushless dc motor simulation modelwas established by the 120°triggermodule，switch module and the clock signal to complete the smooth starting.The experimental results illustrate the effectiveness of the proposed starting method.

brushless DCmotor；back EMF；start；Matlab/Simulink

TM301.2

A

1674-8425（2015）05-0119-05

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.05.021

2015-02-16

安徽省高等學(xué)校省級自然科學(xué)研究項目“基于DSP的多電機(jī)同步網(wǎng)絡(luò)控制研究”（KJ2011A029）

郝玲玲（1989—），女，江蘇淮安人，碩士研究生，主要從事無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制研究。

郝玲玲，瞿成明，喬永鳴.無位置傳感器的無刷直流電機(jī)起動方式研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015（5）：119-123.

format：HAO Ling-ling，QU Cheng-ming，QIAO Yong-ming.Research on StartingWay for Sensorless Brushless DC Motor［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（5）：119-123.