外轉子無刷直流電動機無位置傳感控制技術研究

姜衛東，趙 勇，邢 棟，汪正玲

(合肥工業大學，安徽合肥230009)

0引 言

無刷直流電動機運行時需要采用位置傳感器檢測轉子磁場位置信號［1］，并利用其輸出信號，通過電子換相電路，按照一定的邏輯順序去導通功率器件，驅動電機的正常運轉。傳統的位置傳感器件如霍爾元器件、旋轉變壓器等需要裝配在電機內部來檢測轉子位置信號，由于特殊的電機結構設計，其安裝和維修都極其的不方便。因此無刷直流電動機無位置傳感技術的研究日益受到人們的關注，而反電勢法是諸多無位置傳感控制技術中比較成熟的一種方法，本文提出的改進的反電勢法所需的硬件簡單，控制精確、穩定，通過實際的實驗證明該方法是正確、有效的。

1無刷直流電動機運行原理

本文以星形連接、兩兩導通三相六狀態無刷直流電動機為研究對象，圖1為無刷直流電動機控制原理框圖，逆變器件以PWM調制方式工作，控制器以Freescale 56F8013為核心。

對于三相六狀態120°導通方式，各功率管的導通順序是 S0S3、S0S5、S2S5、S2S1、S4S1、S4S3，當導通功率管S0S3時，電流經S0管從A相流入，從B相流出，經S3管回到電源的負母線，此時在電機定子繞組中產生旋轉磁場，使轉子旋轉，這樣在上述六個狀態的循環輪流導通下，轉子不斷的連續旋轉。改變各功率管的導通順序就可以改變電機的旋轉方向。

圖1 無刷直流電動機控制原理框圖

2“反電勢法”位置檢測的實現

2．1“反電勢法”無刷直流電動機控制原理

對于兩兩導通三相六狀態的無刷直流電動機來說，當給任意兩相的繞組通電后，定子繞組中的電流將會產生合成磁場，合成磁場將會使電機的轉子在某個方向產生一定角度的轉動。而當轉子產生轉動的時候，由于無刷直流電動機定子繞組的存在，將會因切割導體磁力線的作用而產生感應電動勢，且方向與繞組中流過的電流方向相反，所以稱之為反電動勢或反電勢。對于理想狀態下的電機磁場波形基本上為方波，如圖2所示［2］。

圖2 方波氣隙磁場分布

如果無刷直流電動機的氣隙磁場的波形為方波且定子繞組為集中整距繞組時，在不考慮其他因素的情況下，電機的感應電動勢為梯形波，如圖3所示［2］。

圖3 梯形波反電勢與方波電流

在不考慮其他因素的情況下，反電勢過零點出現后的π/6電角度即是無刷直流電動機的換相時刻。理想狀態下無刷直流電動機三相反電勢波形圖如圖4所示。

圖4 理想狀態下無刷直流電動機三相反電勢波形圖

由圖3和圖4可知，如果想準確地判斷出轉子的位置，反電勢過零點的檢測就必須準確及時。當檢測到過零點信號后，通過軟件將過零點信號延時π/6電角度后，就可獲得電機的換相信號，根據換相信號導通相應的功率管就可以實現無刷直流電動機的換相，驅動無刷直流電動機的正常運轉。此即為反電勢過零點法實現的依據。

2．2傳統“反電勢法”控制原理

傳統的“反電勢法”是搭建虛擬的電機中性點，然后將電機的三相相電壓分壓后與虛擬中性點比較，輸出的信號即為反電勢的過零點信號。但分壓后的相電壓信號不可避免地帶入了控制系統中功率管開通和關斷時產生的毛刺、PWM斬波、電磁噪音等干擾，如果不處理，將會使輸出產生虛假的過零點信號，所以需對輸入信號進行低通濾波，傳統的“反電勢法”過零檢測電路如圖5所示。

圖5 傳統“反電勢法”過零檢測原理框圖

傳統“反電勢法”方法原理和檢測電路都比較簡單，因而較容易實現。但是在開關管高頻PWM時，容易引入很高的共模電壓和高頻噪聲，且由于引入了低通濾波，易使在不同的轉速下產生不同的信號移相，位置檢測不準確。并且由于在轉速較低、反電勢很小的情況下，檢測電路很難準確地檢測出反電勢過零點，所以電機的調速范圍有一定的限制。

2．3改進的“反電勢法”控制原理

改進“反電勢法”的控制原理與傳統“反電勢法”是基本相同的，都是檢測反電勢過零點信號，只不過它將傳統“反電勢法”中的分壓電阻改為反并的二極管，通過二極管的正相導通、反相截止原理可以準確地將繞組反電勢過零點檢測出來，檢測原理圖如圖6所示，圖中，R為串入的限流電阻，r為電機內阻。

圖6 改進的“反電勢法”過零檢測原理框圖

將分壓電阻改為反并的二極管后，可以不用考慮在不同反電勢下的電阻分壓比，流入比較器的電壓始終是一個二極管的壓降，避免了因為反電勢電壓變化而帶來的精度不準確的誤差。而傳統的“反電勢法”阻值分壓比一般是按照最高反電動勢來設計的，這就不可避免地出現在轉速低、反電勢小的情況下位置檢測難實現、不準確的問題，而采用的反并二極管可以很好地避免這個問題，在很低轉速下都可以準確地實現位置檢測的功能，所以可以實現大范圍的調速功能，轉速n=40 r/min的實測的三相檢測信號如圖7所示。需要注意的是，在實際的實驗過程中發現在串入反并的二極管后，由于二極管壓降的存在，會導致檢測到的位置信號比過零點信號滯后一個固定的電角度，在軟件延時時需要做一定的補償。

圖7 轉速為40 r/min下實測的三相檢測信號

3系統軟件的設計

由于本控制系統采用的是無位置傳感器設計方案，因此檢測電路正確及時地檢測到轉子位置信號是非常重要的。系統的程序設計思想主要分為轉子定位、開環起動、閉環控制三個步驟。電機的起動是通過發固定脈沖，按逆時針轉動方向輪流的導通開關管使電機旋轉，當獲得電機的過零點信號后電機切換為自同步運行，實現電流轉速雙閉環，驅動電機穩定工作，主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

4實驗結果

以一臺額定電壓三相380 V、額定功率1．7 kW、額定轉速1 200 r/min、額定轉矩14 N·m，八極外轉子無刷直流電動機為樣機進行了實驗，利用MAGTROL測功機給無刷直流電動機做負載性試驗，通過實驗證明采用上述無位置傳感控制技術，電機系統起動平穩，無振動和失步現象，調速范圍為20～1 200 r/min，樣機和控制器測試平臺以及實驗波形如圖9～圖12所示。

圖9 樣機和控制器測試平臺

圖10 三相檢測信號與反電勢波形

圖11 電機空載運行時電流波形

圖12 電機額定負載運行時電流波形

5結 語

實驗過程中觀測到的波形與理論分析基本符合一致。由實驗結果可以看出，整個控制系統較好地實現了對無位置傳感器無刷直流電動機的起動和穩定調速，電機在滿載情況下的運行情況也比較理想。無位置傳感器無刷直流電動機可在惡劣的工作環境下工作，受干擾比較小，可靠性高，成本較低，具有廣闊的市場前景。

［1］ 黃玉，王劍，陳瑜．無刷直流電機的新型轉子位置檢測方法［J］．山東大學學報(工學版)，2003，33(3):287-291．

［2］ 鄭許峰．“直接反電勢法”無刷直流電機控制系統的設計和研究［D］．南京:東南大學，2006．

［3］ 陳新，吳崇理．DSP56800E控制器原理及其應用［M］．北京:電子工業出版社，2007．

［4］ 王興華，勵慶孚．永磁無刷直流電機空載氣隙磁場和繞組反電勢的解析計算［J］．中國電機工程學報，2003，3(23):126-130．

［5］ 陳磊，高宏偉，柴鳳．小型無刷直流電動機振動與噪聲的研究［J］．中國電機工程學報，2006，26(24):148-151．

［6］ Cifuentes A O，Kalbag A．A performance study of tetrahedral and hexahedral elements in 3-D finite element structural analysis［J］．Finite Element in Analysis＆ Design，1992，12(3-4):313-318．

［7］ 黃平林，胡虔生，余莉．集中繞組永磁無刷直流電機電樞反應及繞組電感的解析計算［J］．中國電機工程學報，2005，25(12):127-132．

［8］ Yamazaki K．A Quasi formulation for analyzing characteristics of induction motors with skewed slots［J］．IEEE Transactions on Magnetics，1998，34(5):3624-3627．

［9］ Valtonen M S M，Parviaiene D S A，Pyrhānen J．Electromagnetic filed analysis of 3D structure of axial-flux solid-rotor induction motor［C］//International Symposium on Power Electronics，Electrical Drives，Automation and Motion．Taormina，Italy，2006．

［10］ 唐任遠．現代永磁電機理論與設計［M］．北京:機械工業出版社，1997．