礦用無位置無刷直流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)研究

劉全龍，周奇勛，2，王 茜，毛 誠(chéng)，暢沖沖

(1.西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.徐州凱思特機(jī)電科技有限公司，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

礦用通風(fēng)機(jī)在煤礦生產(chǎn)中起著重要作用，其工作性能的優(yōu)劣嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全以及煤礦生產(chǎn)的效率[1-3]。在實(shí)際工作中，礦用通風(fēng)機(jī)大都處于輕負(fù)載狀態(tài)，導(dǎo)致傳統(tǒng)礦用通風(fēng)機(jī)負(fù)載率及效率較低，造成電能的浪費(fèi)[4-6]。因此，采用無刷直流電機(jī)(brushless direct current motor，BLDCM)實(shí)現(xiàn)礦用通風(fēng)機(jī)能有效的節(jié)約電能[7-9]。

BLDCM具有調(diào)速范圍寬、低速下輸出大轉(zhuǎn)矩、效率高、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在礦用通風(fēng)機(jī)、航空航天及軌道交通等多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[10]。BLDCM通常采用位置傳感器確定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，但安裝位置傳感器增加電機(jī)的成本與制造難度[11-13]，降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，因此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制技術(shù)已有很多深入的研究[14]。目前，無位置傳感器無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)轉(zhuǎn)子定位的方式主要有續(xù)流二極管導(dǎo)通檢測(cè)定位法、反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)定位法、磁鏈定位法等[15]。因?yàn)榉措妱?shì)定位法容易實(shí)現(xiàn)，可靠性高，且系統(tǒng)控制算法比較簡(jiǎn)單，所以該方法是被應(yīng)用最多的轉(zhuǎn)子位置定位的方法。然而很多對(duì)無位置BLDCM控制器的研究都集中在低壓驅(qū)動(dòng)，較小調(diào)速范圍內(nèi)。高壓BLDCM由于電機(jī)在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)電機(jī)端電壓經(jīng)過電阻分壓后幅值太小無法與虛擬中性點(diǎn)電壓相比較，從而導(dǎo)致無法獲得反電勢(shì)過零點(diǎn)[16]；當(dāng)電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，過高的反電勢(shì)有可能損壞反電勢(shì)過零檢測(cè)電路，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器無法獲得反電勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)，使得控制器無法驅(qū)動(dòng)電機(jī)在高速狀態(tài)下運(yùn)行。因此采用傳統(tǒng)反電勢(shì)過零點(diǎn)采樣電路定位轉(zhuǎn)子位置不適用于高壓無位置傳感器BLDCM。

1 BLDCM控制原理

BLDCM的逆變電路的控制方式有二二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通2種，二二導(dǎo)通方式每次只有2個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通很好地利用了電機(jī)方波氣隙磁場(chǎng)的平頂部分，使得電機(jī)的出力大，電磁轉(zhuǎn)矩比三三導(dǎo)通方式大、且轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好，因此三相H橋的導(dǎo)通方式使用的是二二導(dǎo)通方式。如圖1中無位置傳感器BLDCM控制器主電路拓?fù)渌镜腎GBT標(biāo)號(hào)為例，一個(gè)周期中IGBT導(dǎo)通順序是T1T4，T1T6，T3T6，T3T2，T5T2，T5T4，共6種導(dǎo)通狀態(tài)，每隔60°改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每次改變僅切換一個(gè)開關(guān)管，每個(gè)IGBT連續(xù)導(dǎo)通120°[17]。BLDCM工作在三相六狀態(tài)、正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，IGBT(T1～T6)的通斷規(guī)律及電機(jī)的懸空相[18],見表1。

表1 無位置傳感器BLDCM 6步換相規(guī)律

圖1 驅(qū)動(dòng)器主電路拓?fù)?/p>

2 反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)原理

2.1 傳統(tǒng)反電勢(shì)檢測(cè)設(shè)計(jì)

為獲得轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置，BLDCM控制系統(tǒng)需具備轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)環(huán)節(jié)。在有位置傳感器的系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)是通過位置傳感器來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于無位置傳感器的設(shè)計(jì)，則一般是通過檢測(cè)反電勢(shì)過零點(diǎn)來獲取轉(zhuǎn)子位置信息。傳統(tǒng)的反電勢(shì)采樣電路中沒有并聯(lián)的三級(jí)管電路，只有電阻分壓及電容濾波電路，將采集的反電勢(shì)經(jīng)過分壓后送入比較器中與模擬中性點(diǎn)電壓相比較得到A相過零點(diǎn)，B相和C相與A相采用相同的檢測(cè)方法獲取反電勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)。

傳統(tǒng)反電勢(shì)法BLDCM的數(shù)學(xué)模型方程

(1)

(2)

(3)

式(1)、(2)、(3)中Ua,Ub,Uc為BLDCM的三相端電壓，V；UN為星形連接中性點(diǎn)電壓，V；R和L為三相電樞繞組電阻和電感，Ω，H；ea,eb,ec為三相反電動(dòng)勢(shì)，V;ia,ib,ic為三相繞組電流，A。

假設(shè)在電機(jī)運(yùn)行的某一時(shí)刻A相正向?qū)ǎ珺相負(fù)向?qū)?，C相懸空時(shí)。電流從A相流進(jìn)B相流出，則Ua=VDC-VCE，ia=-ib，ic=0，其中VDC為母線電壓;VCE為IGBT導(dǎo)通壓降，可求出Uc,UN。

Ua+Ub=ea+eb+2UN

(4)

Ua=VDC-VCE

(5)

Ua+Ub=ea+eb+2UN

(6)

由式(4)、式(5)、式(6)求得UN。

(7)

將ic=0代入(3)可得懸空的C相電壓。

Uc=UN+ec

(8)

根據(jù)式(8)在AB相繞組通電期間的過零點(diǎn)時(shí)刻，C相端電壓與中性點(diǎn)電壓相等。因此以虛擬中性點(diǎn)作為參考電壓，將三相端電壓與參考電壓輸入電壓比較電路，兩者進(jìn)行比較運(yùn)算，比較器產(chǎn)生過零翻轉(zhuǎn)信號(hào)，該信號(hào)被輸入到微控制器的中斷，來確定過零時(shí)刻完成對(duì)轉(zhuǎn)子位置的確定。

2.2 寬電壓范圍反電勢(shì)檢測(cè)設(shè)計(jì)

由于BLDCM的轉(zhuǎn)速僅與電樞電壓和磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，因此圖2和圖3中設(shè)計(jì)的反電勢(shì)檢測(cè)電路避免了電機(jī)運(yùn)行在高速段時(shí)檢測(cè)電路易損壞，低速段時(shí)反電勢(shì)信號(hào)又難以可靠檢測(cè)的問題[19]，設(shè)計(jì)了在三相反電勢(shì)采樣電路上分別并聯(lián)三極管來控制R16，R19，R22電阻上的電壓，根據(jù)電機(jī)速度調(diào)節(jié)三極管PWM信號(hào)占空比，在高速時(shí)占空比線性增大，在低速時(shí)占空比線性減小?？刂迫龢O管斬波信號(hào)的占空比是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速線性調(diào)節(jié)控制，使得反電勢(shì)采樣電路上的電壓通過三極管斬波控制到合理范圍內(nèi)，能有效地改善在極限速度時(shí)反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)效果。設(shè)計(jì)的高壓電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)電路可以保證檢測(cè)反電勢(shì)過零點(diǎn)的可靠性使電機(jī)轉(zhuǎn)速能在更寬范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 電機(jī)反電勢(shì)檢測(cè)電路

圖3 A相反電勢(shì)過零比較電路

3 BLDCM控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)

3.1.1 BLDCM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高壓無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)主控制芯片采用的是STM32F103RCT6，該芯片處理速度快，外設(shè)資源豐富，比其他同價(jià)格單片機(jī)的計(jì)算和控制性能更強(qiáng)。三相逆變橋采用的是IPM模塊，其高集成度減少了外圍電路的設(shè)計(jì)，使得驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)難度和成本大大降低。無傳感器驅(qū)動(dòng)方案與有傳感器驅(qū)動(dòng)方案相比較穩(wěn)定性更好且成本更低。因此與BLDCM傳統(tǒng)控制方案相比較，以STM32F103RCT6為核心設(shè)計(jì)的無位置傳感器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)具有更好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。如圖4所示控制系統(tǒng)主要包含整流、驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)、通信等主要模塊。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1.2 控制系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用的開關(guān)電源與線性電源結(jié)合的方式為控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。其中系統(tǒng)的開關(guān)電源使用的是BUCK拓?fù)洌瑢?00 V轉(zhuǎn)換成15 V高壓控制芯片采用的是VIper22A，該芯片輸入電壓范圍寬、開關(guān)頻率高，還具有過熱、過流和過壓保護(hù)，與常見的離線式變換器相比，成本降低，有利于大規(guī)模生產(chǎn)；15 V轉(zhuǎn)5 V使用的是LM2596-5.0芯片，該芯片的斬波頻率100 kHz具有輸出紋波小，帶載能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

3.1.3 主控單元電路設(shè)計(jì)

STM32F103RCT6增強(qiáng)型系列由意法半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)；使用高性能ARMCortex-M3的32位RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到2條APB總線的外設(shè)。STM32F103RCT6作為電機(jī)控制，具有高級(jí)定時(shí)器驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)，2個(gè)12位高精度AD作為相電流采樣，高達(dá)72 MHz時(shí)鐘可以為電機(jī)控制提供高效運(yùn)行速率。支持單周期乘法和高速硬件除法器，并且具有較低的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

3.1.4 檢測(cè)電路及驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的電流檢測(cè)電路是直接將采集到的信號(hào)通過放大器送入MCU的ADC通道，MCU在最佳采樣時(shí)刻采集電機(jī)的電流。控制系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)過流保護(hù)電路，若出現(xiàn)過流故障現(xiàn)象，MCU將停止輸出PWM，一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。

逆變器在低壓電機(jī)電路中多采用MOSFET器件，而在高壓電機(jī)應(yīng)用中，IGBT則較為廣泛。控制系統(tǒng)中采用的IPM模塊是SD30M60AC，該模塊內(nèi)置6個(gè)600V/30A的低損耗IGBT，集成了欠壓保護(hù)和過溫、過流保護(hù)電路，可通過調(diào)節(jié)6路PWM的占空比輸入來控制電機(jī)。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 控制系統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略

電機(jī)控制算法結(jié)構(gòu)如圖5所示，控制算法中設(shè)置了2個(gè)PI調(diào)節(jié)器，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入；經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器計(jì)算出定子電壓值，將定子電壓調(diào)制后作為PWM的占空比驅(qū)動(dòng)IPM模塊。通過改變PWM的占空比來控制電機(jī)電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器。使得動(dòng)態(tài)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨其給定值而變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速無靜差或盡可能小。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用，其輸出決定流過電機(jī)電流的大小。電流調(diào)節(jié)器使電機(jī)電流緊緊跟隨其給定值而變化，對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用。在起動(dòng)與制動(dòng)過程中，使電機(jī)能夠以允許的最大電流起動(dòng)，從而加快動(dòng)態(tài)過程；當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流調(diào)節(jié)器可以限制電流的最大值，起到快速自動(dòng)保護(hù)的作用。

圖5 電機(jī)控制算法結(jié)構(gòu)

3.2.2 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

如圖6所示，控制器的主程序主要完成了將速度，電流，反電勢(shì)過零信號(hào)根據(jù)通信協(xié)議定時(shí)發(fā)送給上位機(jī)的任務(wù)，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的可視化。

圖6 主程序流程

礦用高壓無位置無刷直流風(fēng)機(jī)采用三段式自起動(dòng)的過程如圖7所示[20-21]，即電機(jī)轉(zhuǎn)子預(yù)定位，外同步開環(huán)升壓升頻加速，切換到無位置閉環(huán)工作狀態(tài)[22]。無位置BLDCM切換到閉環(huán)控制時(shí)如圖8所示，必須采用一定的方法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信息才能準(zhǔn)確換相。采用反電動(dòng)勢(shì)位置檢測(cè)方法得到轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，由于6步換相控制中，每一個(gè)換相周期，都有一相繞組處于不導(dǎo)通狀態(tài)，因此通過檢測(cè)第3相反電動(dòng)勢(shì)過零信號(hào)信號(hào)，可確定轉(zhuǎn)子磁極在該繞組經(jīng)過的時(shí)刻。然而此時(shí)并不是最佳換相時(shí)刻，需要對(duì)相位進(jìn)行一定時(shí)間的補(bǔ)償后，才是最佳的換相時(shí)刻[23-24]。

圖7 電機(jī)起動(dòng)流程

圖8 電機(jī)閉環(huán)控制流程

4 模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

4.1 模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

驗(yàn)證以STM32F103RCT6微控制器為核心的礦用高壓無位置BLDCM控制系統(tǒng)搭建的模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示，其包括無位置傳感器直流無刷電機(jī)控制器、負(fù)載電機(jī)、上位機(jī)測(cè)試軟件、外部供電電源等。通過負(fù)載電機(jī)模擬礦用風(fēng)機(jī)帶載狀態(tài)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的高壓無位置傳感器BLDCM控制系統(tǒng)中反電勢(shì)過零檢測(cè)電路能否穩(wěn)定地檢測(cè)出過零信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)礦用風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的寬范圍為調(diào)速和電機(jī)運(yùn)行效率的提升。

圖9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4.2 控制器調(diào)速范圍測(cè)試

為降低開關(guān)損耗與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，高壓無位置傳感器BLDCM控制實(shí)驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)IGBT的PWM采用HPWM-LON調(diào)制方式[25]，PWM調(diào)制載波頻率為12 kHz。電機(jī)參數(shù)見表2，在實(shí)驗(yàn)中電機(jī)所帶負(fù)載采用電動(dòng)負(fù)載模擬器輸出，設(shè)置負(fù)載模擬為風(fēng)機(jī)負(fù)載特性，然后再將實(shí)驗(yàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為低速60 r/min、高速6 000 r/min，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)計(jì)的高壓反電勢(shì)過零檢測(cè)電路能夠穩(wěn)定地檢測(cè)出過零信號(hào)。使得電機(jī)在轉(zhuǎn)速較低(60 r/min)或高速時(shí)(6 000 r/min)均能在準(zhǔn)確時(shí)刻進(jìn)行換相。

表2 電機(jī)參數(shù)

模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)采集電機(jī)在低速、高速運(yùn)行時(shí)電機(jī)三相相電壓波形及三相反電勢(shì)過零信號(hào)波形；電機(jī)轉(zhuǎn)速在60 r/min波形如圖10所示，6 000 r/min波形時(shí)如圖11所示，反電勢(shì)過零檢測(cè)信號(hào)都比較穩(wěn)定準(zhǔn)確；同時(shí)圖中過零信號(hào)的頻率與電機(jī)的設(shè)置速度對(duì)應(yīng)的端電壓頻率一致，從而驗(yàn)證控制器在高速和低速時(shí)均可穩(wěn)定可靠的檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)礦用風(fēng)機(jī)更寬的調(diào)速范圍，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果也與預(yù)期的效果基本一致。

圖10 電機(jī)60 r/min運(yùn)行時(shí)反電勢(shì)及過零點(diǎn)

圖11 電機(jī)6 000 r/min運(yùn)行時(shí)端電壓及過零點(diǎn)

5 結(jié) 論

1)礦用高壓無位置傳感器無刷直流風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，與異步電機(jī)相比無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用的是永磁體，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子不需要?jiǎng)?lì)磁電流，而異步電機(jī)需要。因此提高了礦用風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的效率。

2)通過對(duì)傳統(tǒng)的三相反電勢(shì)采樣電路進(jìn)行改進(jìn)，有效改善高低速時(shí)反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)效果。使電機(jī)具有更寬的調(diào)速范圍。

3)與異步電機(jī)變頻器相比，該礦用風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)以低成本的微型控制器為核心，控制電路供電使用設(shè)計(jì)的低成本BUCK開關(guān)電源，相較于傳統(tǒng)高壓無位置無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)具有成本低、體積小、易于使用等諸多優(yōu)點(diǎn)。

4)實(shí)驗(yàn)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可以準(zhǔn)確檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，使礦用風(fēng)機(jī)在1%～100%的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。