基于旋轉(zhuǎn)脈沖注入定位的無位置傳感器BLDCM 控制系統(tǒng)

李克靖，萬 清，宋 錦，王賢會(huì)

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

無刷直流電機(jī)BLDCM(Brushless DC Motor)作為一種利用電子換相的新型電機(jī)[1]，具有良好的調(diào)速性能，且運(yùn)行效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，在家用電器、汽車電子、精密機(jī)械、機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[2-3]。然而，傳統(tǒng)的BLDCM 控制采用霍爾傳感器、編碼器等器件作為位置傳感器來檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置[4-5]，增加了電機(jī)成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的同時(shí)還引入了潛在的故障因素，且在水泵、壓縮機(jī)等工作在浸沒條件下的工況中，會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性[6]。因此，BLDCM 的無位置傳感器控制成為熱門的研究方向之一。

反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)法是目前最常用的無位置傳感器控制方法[7]，但是，在電機(jī)靜止起動(dòng)或低速運(yùn)行時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)會(huì)存在很大的誤差和干擾，因此需要采取專用的啟動(dòng)和加送方式[8]。三段式啟動(dòng)法采用預(yù)定位的方式，通過導(dǎo)通任意兩相，并控制電流大小與導(dǎo)通時(shí)間，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到該導(dǎo)通狀態(tài)對(duì)應(yīng)的位置完成轉(zhuǎn)子的定位，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是受負(fù)載變化的影響較大，同時(shí)還容易出現(xiàn)電機(jī)小幅度倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象[9]；升頻升壓法通過調(diào)節(jié)繞組導(dǎo)通的脈沖寬度來控制加載繞組上的電壓，在一定升頻速度內(nèi)可實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載下的可靠啟動(dòng)，但是需要輔以特殊的硬件電路，降低了系統(tǒng)整體的可靠性[10]。文獻(xiàn)[11]采用基于電感法的啟動(dòng)方法，通過施加6 個(gè)短時(shí)脈沖，然后比較響應(yīng)電流峰值來確定轉(zhuǎn)子的位置，該方法有效提高了轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的準(zhǔn)確性，然而采樣電流的同時(shí)還需記錄電流超過閾值的抬升時(shí)間，增加了比較方式的復(fù)雜度。該系統(tǒng)采用一種改進(jìn)型旋轉(zhuǎn)脈沖注入法，比較方式簡(jiǎn)化的同時(shí)保證了轉(zhuǎn)子定位的準(zhǔn)確性，在多款電機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證，運(yùn)行效果良好，可滿足大部分場(chǎng)合的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)

無刷直流電機(jī)控制中常采用較低成本的霍爾位置傳感器來檢測(cè)換相點(diǎn)，將3 個(gè)霍爾位置傳感器間隔120°電角度進(jìn)行安裝，3 個(gè)霍爾位置傳感器（A、B、C）的輸出信號(hào)將360°電角度分為6 個(gè)扇區(qū)，如圖1 所示，實(shí)線為霍爾信號(hào)電平變化曲線，虛線為三相反電動(dòng)勢(shì)波形，可以看出兩個(gè)換相點(diǎn)中間都對(duì)應(yīng)一相反電動(dòng)勢(shì)的極性變化的點(diǎn)，稱為過零點(diǎn)[12-13]。利用這一特性，只需準(zhǔn)確檢測(cè)出三相反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，再加上30°電角度延遲即為下一換相時(shí)刻。

圖1 霍爾扇區(qū)和三相反電動(dòng)勢(shì)示意圖

由于無刷直流電機(jī)的方波驅(qū)動(dòng)過程中總有一相功率管為懸空狀態(tài)，導(dǎo)通相進(jìn)行PWM 調(diào)制時(shí)，在兩相導(dǎo)通狀態(tài)下觸發(fā)ADC 采樣懸空相電壓即可認(rèn)為是該相的反電動(dòng)勢(shì)，與母線電壓的一半進(jìn)行比較就可以得到過零點(diǎn)信號(hào)。

1.2 電感檢測(cè)法原理

無刷直流電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子永磁體與定子電樞的合成磁勢(shì)產(chǎn)生，電機(jī)磁場(chǎng)的飽和程度取決于兩者的相對(duì)位置，磁場(chǎng)越飽和，定子繞組電感越小。所以，當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體處于不同位置時(shí)，定子繞組等效電感是不同的。轉(zhuǎn)子磁勢(shì)和定子電樞磁勢(shì)的關(guān)系可以分為增磁和去磁兩種典型模式，當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁磁動(dòng)勢(shì)軸線與電樞磁動(dòng)勢(shì)軸線夾角小于90°時(shí)，為增磁效應(yīng)，鐵芯磁阻增大，繞組電感減??；當(dāng)夾角大于90°時(shí)，為去磁效應(yīng)，鐵芯磁阻減小，繞組電感增大。繞組電感與轉(zhuǎn)子位置變化規(guī)律如圖2 所示，d軸為轉(zhuǎn)子永磁體N 極軸線方向，該方向繞組電感最小；在±q軸方向繞組電感最大。

圖2 繞組電感與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系圖

如圖3 所示，當(dāng)對(duì)定子繞組施加短時(shí)脈寬電壓時(shí)，不同電感值對(duì)應(yīng)不同的直流母線電流峰值：電感值越小，對(duì)應(yīng)的電流峰值越大；電感值越大，則對(duì)應(yīng)的電流峰值越小。因此，可以通過比較不同位置檢測(cè)到的直流母線電流峰值，間接估算出電機(jī)轉(zhuǎn)子所在位置。

圖3 繞組脈沖響應(yīng)電流特性

1.3 旋轉(zhuǎn)脈沖注入法初始位置檢測(cè)

為了保證脈沖電壓矢量能夠唯一確定轉(zhuǎn)子位置區(qū)間，系統(tǒng)選擇以三三導(dǎo)通組成的6 個(gè)電壓矢量Vxyz作為注入脈沖電壓矢量[14]，如圖4 所示，其中，x、y、z分別對(duì)應(yīng)A、B、C 三相的開關(guān)狀態(tài)，值為1 代表對(duì)應(yīng)相的上橋臂開通，下橋臂關(guān)斷；值為0 則代表對(duì)應(yīng)相的下橋臂開通，上橋臂關(guān)斷。

圖4 電壓矢量分布及轉(zhuǎn)子位置示意圖

具體實(shí)現(xiàn)定位時(shí)，將電壓矢量按V100→V110→V010→V011→V001→V101的順序注入電機(jī)三相繞組，在電壓矢量作用結(jié)束時(shí)刻分別采樣對(duì)應(yīng)直流母線電流I100、I110、I010、I011、I001、I101，這里需要注意，由于繞組電感的存在，每個(gè)電壓矢量作用結(jié)束后，都需要等待一段時(shí)間使續(xù)流完成后再注入下一個(gè)電壓矢量。通過繞組電感與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系圖并經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，處于轉(zhuǎn)子兩極的定子繞組電感差最大。因此，將電角度相差180°的三對(duì)電流的差值|I100-I011|、|I110-I001|和|I010-I101|進(jìn)行比較，得到相差最大的方向，假設(shè)I100和I011相差最大，且I100＞I011，則可確定轉(zhuǎn)子處于V100所在扇區(qū)（如圖4 虛線間扇區(qū)），其他情況以此類推。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控芯片型號(hào)STM32F031C6T6，該芯片基于Cortex-M0 內(nèi)核，有48 個(gè)引腳，時(shí)鐘頻率最高為48 MHz，同時(shí)帶有多個(gè)ADC 采樣通道和定時(shí)器[15-16]，滿足電機(jī)控制所需外設(shè)資源。系統(tǒng)硬件電路總體結(jié)構(gòu)如圖5 所示，主要由主控芯片、逆變驅(qū)動(dòng)電路、反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路以及電流電壓檢測(cè)保護(hù)電路組成。

圖5 系統(tǒng)硬件電路總體結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。主程序完成芯片時(shí)鐘、ADC、定時(shí)器等相關(guān)外設(shè)的初始化、硬件電路自檢、狀態(tài)機(jī)更新、故障和功能處理；中斷函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，包括反電動(dòng)勢(shì)采樣、過零點(diǎn)檢測(cè)、延時(shí)換相及PWM 信號(hào)更新輸出等。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

ADC 中斷程序檢測(cè)三相反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)時(shí)刻，并通過TIM3 計(jì)數(shù)器獲取相鄰兩次換相點(diǎn)的時(shí)間差，作30°電角度延時(shí)，完成電機(jī)換相，同時(shí)根據(jù)扇區(qū)更新計(jì)數(shù)反饋電機(jī)運(yùn)行速度，完成速度PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為測(cè)試該系統(tǒng)控制效果對(duì)不同電機(jī)的適應(yīng)性，在多款型號(hào)電機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)如圖7 所示，其包括電動(dòng)自行車用輪轂電機(jī)、電動(dòng)三輪車用中置電機(jī)以及小功率的光伏水泵電機(jī)。大量測(cè)試顯示，該系統(tǒng)可以很好地適配上述電機(jī)，啟動(dòng)平穩(wěn)，輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，且具有良好的調(diào)速性能。

圖7 控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

圖8 為該系統(tǒng)在輪轂電機(jī)上運(yùn)行時(shí)的三相電壓和電機(jī)霍爾信號(hào)變化波形，可以看出三相電壓波形形態(tài)規(guī)則，換相時(shí)刻也能保持平穩(wěn)；同時(shí)換相點(diǎn)與霍爾信號(hào)變化保持一致，說明換相位置準(zhǔn)確。

圖8 三相電壓及霍爾變化波形圖

測(cè)試還對(duì)該系統(tǒng)和采用預(yù)定位方法的啟動(dòng)速度曲線進(jìn)行了對(duì)比。圖9(a)為采用預(yù)定位法的啟動(dòng)速度曲線，圖9(b)為該系統(tǒng)啟動(dòng)速度曲線。采用預(yù)定位法時(shí)，由于電機(jī)出現(xiàn)小幅度的倒轉(zhuǎn)，會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)加速時(shí)來回抖動(dòng)的現(xiàn)象；而該系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)脈沖注入方式能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)轉(zhuǎn)子初始位置，靜止啟動(dòng)時(shí)避免了電機(jī)倒轉(zhuǎn)和抖動(dòng)的產(chǎn)生。

圖9 電機(jī)啟動(dòng)速度曲線對(duì)比

輪轂電機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，采用專業(yè)的電機(jī)測(cè)功系統(tǒng)，得到的系統(tǒng)測(cè)功曲線如圖10 所示，由圖可見該系統(tǒng)限流穩(wěn)定，且電機(jī)在低速大轉(zhuǎn)矩下依然能夠保持平穩(wěn)運(yùn)行，在48 V 穩(wěn)壓電源供電時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到70 N·m，與市場(chǎng)上功率相同的有霍爾電動(dòng)車控制器的最大轉(zhuǎn)矩水平相當(dāng)。

圖10 系統(tǒng)測(cè)功曲線圖

5 結(jié)束語

該文設(shè)計(jì)了一種基于旋轉(zhuǎn)脈沖注入的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的三段式啟動(dòng)控制方式相比，該系統(tǒng)具有更好的啟動(dòng)性能和更高的可靠性，同時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，換相位置準(zhǔn)確，且對(duì)不同電機(jī)具有較好的適應(yīng)性，現(xiàn)已成功應(yīng)用于電動(dòng)自行車控制器修復(fù)，作為輔助功能，在電機(jī)霍爾傳感器出現(xiàn)故障時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安全運(yùn)行。另外，在水泵電機(jī)、園林工具、電動(dòng)工具等領(lǐng)域也具有較高的應(yīng)用價(jià)值。