無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器的優(yōu)化控制方法

鐘海峰，吳宇

（江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西贛州，341000）

0 引言

近年來(lái)，無(wú)刷直流電機(jī)以其效率利用率高，環(huán)保性好，調(diào)速性能優(yōu)異等，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換相是電子控制的，其主要核心是其安裝的位置傳感器，根據(jù)位置傳感器的準(zhǔn)確性和使用壽命，外界環(huán)境等客觀因素的影響會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的成本和性能的波動(dòng)。故其無(wú)位置傳感器逐漸成為熱點(diǎn)的研究話題之一。本文著重于無(wú)刷電機(jī)過(guò)反電動(dòng)勢(shì)零點(diǎn)問(wèn)題和衍生出的換相啟動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分析，優(yōu)化無(wú)位置傳感器控制方法，簡(jiǎn)化剔除了濾波，模擬/ 數(shù)字轉(zhuǎn)換器采樣端電壓等操作，以達(dá)到換相精準(zhǔn)，穩(wěn)定性好，簡(jiǎn)單迅速等目標(biāo)。

1 原理分析

1.1 無(wú)刷直流電機(jī)原理

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制框圖如圖1所示，由霍爾位置傳感器信號(hào)，功率開(kāi)關(guān)單元信號(hào)和控制單元組成。功率開(kāi)關(guān)單元將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無(wú)刷直流電機(jī)的定子各相繞組，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)矩，而功率開(kāi)關(guān)單元的導(dǎo)通和其導(dǎo)通時(shí)間控制由霍爾傳感器的信號(hào)來(lái)決定。此處將無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)假設(shè)為星型接法，采用的是兩兩導(dǎo)通工作方式，每只開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通120°電角度，每隔60°電角度就有一個(gè)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，定一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，即工作過(guò)程中一定有一個(gè)橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管燈關(guān)斷，另外兩個(gè)橋臂的上下橋臂只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，同時(shí)不考慮集膚，磁滯效應(yīng)等影響。其控制框圖如圖1所示。

由相電壓，相電流，反電動(dòng)勢(shì)和各繞組的自感互感關(guān)系，可以從無(wú)刷電機(jī)關(guān)斷一相的端電壓波來(lái)獲取反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)等信息。根據(jù)文獻(xiàn)[2]和圖1可知各相端電壓表達(dá)式：

其中Ua、Ub、Uc為電機(jī)的三相定子繞組的各端電壓；L=Ls-Lm(Ls為電機(jī)定子繞組自感，Lm為電機(jī)定子繞組互感) ；ia、ib、ic分別為電機(jī)的三相定子相電流；ea、eb、ec為電機(jī)三相繞組反電動(dòng)勢(shì)；Un為電機(jī)實(shí)際的中性點(diǎn)電位。

1.2 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零分析

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，假設(shè)B相上橋臂導(dǎo)通，C相下橋臂導(dǎo)通，A相處于斷開(kāi)狀態(tài)。則有BC相通電，由(1)式可知此時(shí)的ABC三相端電壓關(guān)系變化為式(2)：

此時(shí)為BC通電，就兩者反電動(dòng)勢(shì)和電流之間的關(guān)系：

綜上(1)、(2)、(3)、(4)可得：

其實(shí)此時(shí)B相上橋臂在PWM ON時(shí)，圖1的VT3和VT2導(dǎo)通使Ub和Ud相同(Ud為端電壓幅值)，而Uc為0，則也會(huì)有：

此時(shí)把式(5)代入式(2)中有：

以上式(6)和式(7)關(guān)系可知：在A相反電動(dòng)勢(shì)的為零時(shí)，則此時(shí)的端電壓波形幅值正好為Ud/2 。

所以由此原理可以推斷出，在兩兩導(dǎo)通的模式下將中性點(diǎn)電壓與未導(dǎo)通相的端電壓對(duì)比可以確定反電動(dòng)勢(shì)的零點(diǎn)，因?yàn)榇藭r(shí)中心點(diǎn)的電壓Un就為Ud/2 。

但是實(shí)際的中心點(diǎn)在電機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，無(wú)法通過(guò)物理手段將其引出，所以我們需要在外部設(shè)計(jì)硬件電路模擬中性點(diǎn)，再將此模擬的中性點(diǎn)與檢查反電動(dòng)勢(shì)做對(duì)比即可。故采用重構(gòu)中性點(diǎn)方法來(lái)模擬，根據(jù)圖2運(yùn)用疊加定理和結(jié)合式(1)可知重構(gòu)中心點(diǎn)電壓為：

圖2 重構(gòu)中性點(diǎn)

其中xe為關(guān)斷的X相對(duì)應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)。

則可推測(cè)關(guān)斷電壓的表達(dá)式：

由(8)和(9)兩個(gè)式子可知，Ux＜0的時(shí)候，Usum＞而反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路輸出低電平，而當(dāng)Ux＞0時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路，輸出為高電平，完成一個(gè)電平跳變。故用比較器檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路的輸出跳變就可以確定反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻。圖3為設(shè)計(jì)的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路。圖4 為反電動(dòng)勢(shì)和各相比較器輸出關(guān)系。

圖3 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路

圖4 反電動(dòng)勢(shì)和各相比較器輸出關(guān)系

1.3 電機(jī)啟動(dòng)分析

以上分析可知能通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)來(lái)進(jìn)行換相點(diǎn)的標(biāo)記，從而進(jìn)行換相，一般采用三步法啟動(dòng)，但是三步法啟動(dòng)電機(jī)時(shí)有轉(zhuǎn)速脈動(dòng)大等缺點(diǎn)。本文給出最多通過(guò)兩個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)就能檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，從而快速啟動(dòng)的方法，解決此問(wèn)題。下面進(jìn)行舉例說(shuō)明：

此時(shí)轉(zhuǎn)子的位置如圖5所示，通入電子的電流為B相流入C相流出，則產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)F1將會(huì)促使轉(zhuǎn)子向圖6位置方向移動(dòng)，但是此過(guò)程中在A相檢測(cè)不出反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，此時(shí)磁動(dòng)勢(shì)F1帶動(dòng)不了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 轉(zhuǎn)子位置1

而此時(shí)可以改變定子電流流通相序，即將定子電流從C相流入，A相流出，其產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)F2如圖6所示，此時(shí)檢測(cè)B相上反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，剛到達(dá)圖7位置時(shí)則B相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)跳變，則在延時(shí)30°電角度作為換相點(diǎn)進(jìn)行換相，從而可以快速啟動(dòng)電機(jī)。

圖6 轉(zhuǎn)子位置2

圖7 轉(zhuǎn)子位置3

而當(dāng)轉(zhuǎn)子位置如圖8時(shí)，此時(shí)定子電流是由B相流入，C相流出，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)F3會(huì)帶轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)虛線位置，而經(jīng)過(guò)此位置時(shí)，會(huì)檢測(cè)到A相的反電動(dòng)勢(shì)的跳變，即可確定其反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一次導(dǎo)通檢測(cè)，就確定了轉(zhuǎn)子位置就能正常啟動(dòng)了。

圖8 轉(zhuǎn)子位置4

結(jié)合兩種情況可知，最多通過(guò)兩個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)就能確定反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，可以確定轉(zhuǎn)子位置，從而能夠快速地啟動(dòng)電機(jī)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

具體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖9所示，包括開(kāi)關(guān)電源，無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路，被控對(duì)象無(wú)刷直流電機(jī)，還有測(cè)相應(yīng)波形的示波器。其中驅(qū)動(dòng)電路所用的主控芯片是STM32F103C8T6型號(hào)的單片機(jī)；比較器所用的型號(hào)為L(zhǎng)M324，此比較器可以進(jìn)行真正意義上的差分輸入，可以在3.0～32V的工作電壓下運(yùn)行，檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)；選用的無(wú)刷直流電機(jī)極對(duì)數(shù)為2，額定功率為35W，額定電壓24V，額定轉(zhuǎn)速2500r/min。

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 原理驗(yàn)證分析

圖10 實(shí)物波形圖

圖11 仿真波形圖

再觀察比較器在PWM通道上輸出的電平和用霍爾傳感器測(cè)試的A相輸出電平，比較可知，霍爾傳感器發(fā)出的換相信號(hào)和電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)延遲30度后完全重合，即說(shuō)明此控制方法的可行性，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)位置控制。

3.2 實(shí)踐效果分析

圖12和圖13為有位置傳感器和無(wú)位置傳感器兩種控制方式下的速度波形，程序中采用了自抗擾控制（ADRC）代替了傳統(tǒng)的PID控制，使得控制更加精準(zhǔn)，信號(hào)識(shí)別能力更強(qiáng)，抗干擾能力更優(yōu)。

圖12為無(wú)位置傳感器控制方式在ADRC方式下的速度波形，于0.85s時(shí)反饋速度就達(dá)到給定速度要求。對(duì)比兩圖可知，兩種控制方式都具有上升過(guò)程穩(wěn)定，超調(diào)量十分小等優(yōu)點(diǎn)，均能滿足快速平穩(wěn)達(dá)到給定速度并穩(wěn)定保持的要求。

圖12 無(wú)位置傳感器的轉(zhuǎn)速波形

圖13為有位置傳感器控制方式在ADRC方式下的速度波形，于0.7s時(shí)反饋速度就達(dá)到給定速度要求。

圖13 有位置傳感器控制的轉(zhuǎn)速波形

對(duì)比兩圖可知，兩種控制方式都具有上升過(guò)程穩(wěn)定，超調(diào)量十分小等優(yōu)點(diǎn)，均能滿足快速平穩(wěn)達(dá)到給定速度并穩(wěn)定保持的要求。

4 總結(jié)

本文通過(guò)未導(dǎo)通相端電壓和中性點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，取比較輸出的跳變處為反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，在延遲30°電角度確定換相點(diǎn)，從而進(jìn)行換相操作。同時(shí)也設(shè)計(jì)了最多通過(guò)兩個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)就能快速啟動(dòng)電機(jī)的方法。最后驗(yàn)證了原理推導(dǎo)的正確性，配合ADRC測(cè)試比較了有無(wú)位置傳感器電機(jī)運(yùn)行的各自狀態(tài)。實(shí)踐分析證明了：此方法不用考慮濾波電路和換相檢測(cè)精度等問(wèn)題，無(wú)需額外供電，節(jié)約了成本，性能也更強(qiáng)大。