無刷直流電機(jī)無位置傳感器檢測(cè)電路分析

周翔宇，陳少華，宋言明，祝連慶，

(1.北京信息科技大學(xué) 光電測(cè)試技術(shù)及儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192；2.北京信息科技大學(xué) 光纖傳感與系統(tǒng)北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100016)

0 引 言

無刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)越，單位功率密度高，技術(shù)成熟可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于國防安全系統(tǒng)、航天航空技術(shù)、機(jī)器人、工業(yè)控制等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的無刷直流電機(jī)采用六步法控制，即一個(gè)周期內(nèi)逆變器功率器件兩兩導(dǎo)通，每隔60°換相一次，通過轉(zhuǎn)子位置傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，確定換相時(shí)刻。常用的轉(zhuǎn)子位置傳感器有霍爾傳感器，電式位置傳感器和磁敏式位置傳感器等。但傳感器的安裝將增大電機(jī)體積，降低系統(tǒng)的可靠性。在一些惡劣的環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生很大的位置誤差，失去傳感器的本質(zhì)功能，且維修困難，導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性變差，限制了電機(jī)在特定場(chǎng)合下的應(yīng)用[1]。因此，深入研究具有無位置傳感器的無刷直流電機(jī)控制方法具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和深遠(yuǎn)的科學(xué)意義。

無位置傳感器控制是無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor，BLDCM)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究熱點(diǎn)，其中基于反電動(dòng)勢(shì)法的無位置傳感器控制應(yīng)用最為廣泛[2-3]。反電動(dòng)勢(shì)法中有三次諧波檢測(cè)法[4-5]和反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法[6-7]，它們都是對(duì)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)提取，從而生成位置檢測(cè)信號(hào)。反電動(dòng)勢(shì)法由于低通濾波器相移、位置信號(hào)計(jì)算延時(shí)等因素造成位置信號(hào)檢測(cè)誤差，會(huì)導(dǎo)致較大的電流峰值和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低電機(jī)工作效率，增加電磁噪聲等。如果相位偏移得過大還可能造成失步現(xiàn)象，影響電機(jī)正常運(yùn)行。為此，很多學(xué)者提出消除以上誤差的方法。文獻(xiàn)[8-9]通過改進(jìn)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路，通過雙?？刂戚^好的補(bǔ)償了相位誤差，但是這種方法采用了位置傳感器，在某些特殊場(chǎng)合可靠性不高。文獻(xiàn)[10]利用線電壓之間的差值推導(dǎo)懸空相的相反電動(dòng)勢(shì)，避免了中性點(diǎn)的選取。以上方法未對(duì)濾波電路自身對(duì)于電機(jī)控制，位置檢測(cè)以及角度滯后進(jìn)行分析。

本文分析了無位置傳感器檢測(cè)電路在高速大功率電機(jī)應(yīng)用中存在的相位滯后的原因，通過對(duì)低通濾波電路分析，結(jié)合電機(jī)控制，提出了最優(yōu)濾波策略，使電機(jī)在全轉(zhuǎn)速內(nèi)的滯后角度適中，控制簡單，實(shí)驗(yàn)論證了方案的可行性。

1 無刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型及檢測(cè)電路分析

1.1 無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

無刷直流電機(jī)一般采用120°導(dǎo)通、每60°電角度換相一次的三相全橋進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

在忽略電機(jī)鐵心飽和，不計(jì)渦流損耗、磁滯損耗、電樞反應(yīng)和齒槽效應(yīng)，無刷直流電機(jī)線電壓方程如下所示：

其中，ua，ub，uc分別為電機(jī)三個(gè)相電壓；ia，ib，ic分別代表電機(jī)三相線(相)電流；ea，eb，ec分別代表電機(jī)三個(gè)相反電勢(shì)；R，L分別代表相電阻，電感。

本實(shí)驗(yàn)樣機(jī)電動(dòng)勢(shì)設(shè)計(jì)成梯形波，利用相反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。圖2為相反電勢(shì)和相電流與換相點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中A，B，C為電機(jī)的三相，P為轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。相電流過零點(diǎn)30°，90°，150°，210°，270°，330°對(duì)應(yīng)電機(jī)的六個(gè)換相點(diǎn)。

圖2 相反電勢(shì)和相反電勢(shì)與換相點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

1.2 濾波電路結(jié)構(gòu)及換相延時(shí)分析

高速大功率無刷直流電機(jī)無位置檢測(cè)采用無源低通濾波電路，如圖3所示。

圖3 低通濾波器及過零檢測(cè)電路

其中，A，B，C三相的濾波電路和過零比較器相同。電流通過低通濾波之后和零電位比較，獲得過零點(diǎn)。

無刷電機(jī)換相信號(hào)產(chǎn)生相移的主要因素有：低通濾波延時(shí)，相反電勢(shì)滯后相電流30°(簡稱固定延時(shí))，電路簡化延時(shí)(線電壓代替線反電勢(shì)引起的延時(shí))，器件延時(shí)(包含比較電路、隔離電路、整形電路延時(shí)和輸出驅(qū)動(dòng)電路延時(shí))，軟件延時(shí)。

低通濾波電路延遲角度為

α1=arctan(CR1R2ω/(R1+R2))

R1,R2,C分別代表分壓電阻和濾波電容。

簡化延時(shí)角度為

α2=arctan((L-M)ω/R)；

器件延時(shí)時(shí)間Δt3=1.3 μs和軟件延時(shí)時(shí)間Δt4由離線測(cè)得，存入數(shù)據(jù)表中，對(duì)應(yīng)延遲角度分別根據(jù)α3=ω*Δt3和α4=ω*Δt4由轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)計(jì)算。

所以，總延遲角度α=α1+α2+α3+α4+30，隨著ω的加大，延遲角度逐漸加大，所以濾波之后的相電壓反電勢(shì)過零點(diǎn)將不再對(duì)應(yīng)換相點(diǎn)。必須采用合理的相位校正策略來補(bǔ)償這個(gè)誤差，否則電機(jī)性能將會(huì)受到影響。而低通濾波電路產(chǎn)生的延遲角度影響最大，如圖4所示。所以濾波電路的參數(shù)選擇對(duì)電機(jī)控制有很大的影響。

圖4 換相延時(shí)因素所占比例

2 最優(yōu)濾波策略

2.1 低通濾波電路特性

低通濾波電路在無刷直流電機(jī)無位置檢測(cè)中起很大作用，無刷直流電機(jī)在啟動(dòng)初期，由于轉(zhuǎn)速較小，反電動(dòng)勢(shì)難以檢測(cè)，并且存在很多干擾，使用低通濾波可以去除多數(shù)干擾。由于高速電機(jī)功率較大，啟動(dòng)時(shí)電流增長過快，所以只能采用無源濾波電路。波特圖如圖5所示。

圖5 截止頻率分別為5.57 Hz、47.74 Hz、497 Hz、1061 Hz的波特圖

從波特圖可以看出截至頻率越高的濾波器在電機(jī)高速時(shí)延遲角度較小，但是頻率較高的時(shí)候信號(hào)衰減不夠，達(dá)不到好的濾波效果。截至頻率低的濾波器在電機(jī)較低轉(zhuǎn)速時(shí)延遲角度接近90°，難以補(bǔ)償。所以合適的濾波器對(duì)位置信號(hào)的檢測(cè)及速度的控制有重要影響。

2.2 低通濾波電路參數(shù)對(duì)位置檢測(cè)的影響

選取不同的濾波電路，具體參數(shù)如表1所示。

表1 不同的濾波電路參數(shù)

其中，R1和R2代表分壓電阻，C為濾波電容，F(xiàn)為濾波器截止頻率。

延遲角度與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

θ=arctan(CR1R2ω/2π(R1+R2))

圖6為電機(jī)轉(zhuǎn)速與延遲角度關(guān)系圖。

圖6 不同濾波器下電機(jī)轉(zhuǎn)速與延遲角度圖

由圖6得知截止頻率越低，電機(jī)的滯后角度變化越劇烈，最終滯后角度穩(wěn)定在90°處。曲線1是截止頻率為5.57 Hz的曲線，可以知道在電機(jī)啟動(dòng)階段雖然可以濾除很多干擾信號(hào)，但是在升速階段，相位滯后角度變化太大且太快，硬件電路無法快速及時(shí)的對(duì)滯后角度補(bǔ)償，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)失步，甚至無法啟動(dòng)。而且在低速階段滯后超過60°，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)切換換相表，增加了控制復(fù)雜度。曲線2是截止頻率為47.74 Hz的曲線，該曲線也存在滯后角度超過60°，需要切換換相表的問題。曲線3和曲線4截止頻率為497 Hz和1061 Hz，在全轉(zhuǎn)速內(nèi)，滯后角度隨轉(zhuǎn)速的升高趨向于線性關(guān)系，便于補(bǔ)償，且全轉(zhuǎn)速內(nèi)滯后角度未超過60°，不需要切換換相表。但是對(duì)于曲線4來說，截止頻率較高，濾波效果不明顯，信號(hào)中會(huì)有較多干擾，對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)采集帶來了很大的麻煩。對(duì)于曲線3來說，既有適當(dāng)?shù)慕刂诡l率濾除干擾信號(hào)又可以線性補(bǔ)償滯后角度，不需要切換就可以較好的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。所以曲線3對(duì)應(yīng)的低通濾波會(huì)帶來很好的控制效果。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

采用TI公司TMS320F28335為控制芯片，在一臺(tái)2對(duì)極，額定轉(zhuǎn)速10000 r/min，額定功率為1 kW，額定電壓Ud=380 V的高速無刷直流電機(jī)樣機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示，其實(shí)現(xiàn)控制示意圖如圖8所示。

圖7 高速無刷直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖8 無刷直流電機(jī)控制示意圖

圖9 無刷直流電機(jī)位置信號(hào)檢測(cè)板

無刷直流電機(jī)通過無位置信號(hào)采集板(如圖9所示)采集到反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過比較過零點(diǎn)得到位置信號(hào)，通過速度環(huán)和電流環(huán)控制電機(jī)運(yùn)行。最終波形如圖10所示。

圖10 無刷直流電機(jī)A相反電動(dòng)勢(shì)波形和電流波形

由波形圖可知電機(jī)在497 Hz的濾波電路下，能夠較好的檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，該濾波策略有效。

4 結(jié) 語

本文對(duì)無刷直流電機(jī)無位置傳感器檢測(cè)電路進(jìn)行了分析，分析了不同濾波電路對(duì)電機(jī)位置檢測(cè)的影響。提出了最優(yōu)濾波電路策略，使電機(jī)控制不需要切換換相表的情況下既可以濾除干擾信號(hào)，又可以很好的補(bǔ)償滯后角度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該策略有效，控制精確。