無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)仿真及試驗研究

焦曉雷，高延麗，潘 勁

(1.南瑞集團公司，江蘇 南京 210003;2.湖南電力公司檢修分公司，湖南 長沙 410012)

0 引言

傳統(tǒng)直流電機采用電刷以機械方式換向，因而存在噪聲、火花和無線電干擾等問題，而且制造成本高、維修比較困難。無刷直流電機(Brushless DC Motor，BLDCM)用電子換向替代傳統(tǒng)直流電機的機械換向裝置，使其同時具有了傳統(tǒng)直流電機易于控制，以及異步電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點，從而在航空航天、數(shù)控機床、機器人、辦公自動化等許多領(lǐng)域得到了廣泛應用[1]。但是，傳統(tǒng)的BLDCM一般采用外置式位置傳感器對轉(zhuǎn)子位置信號進行檢測，不僅會使電機的成本增加、結(jié)構(gòu)復雜、體積與重量增大，同時也會降低電機的運行可靠性，大大增加了電機的生產(chǎn)和維修的難度[2]。因此，研究BLDCM無位置傳感器控制技術(shù)是目前的一個重要方向[3]。

本文首先建立了BLDCM的數(shù)學模型，分析了BLDCM無位置傳感器的工作原理，建立了BLDCM的仿真模型，最后通過試驗驗證了所搭建BLDCM無位置傳感器控制系統(tǒng)的有效性和準確性。

1 無位置傳感器BLDCM工作原理

1.1 BLDCM的數(shù)學模型

采用具有梯形反電動勢的BLDCM，三相橋式Y(jié)形聯(lián)接，120°兩兩導通方式。其中假設(shè)BLDCM在工作過程中磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗，三相繞組完全對稱。BLDCM等效主電路原理如圖1所示。

圖1 BLDCM等效主電路圖

在此電路拓撲結(jié)構(gòu)下，BLDCM的三相電壓子系統(tǒng)數(shù)學模型為

式中:Ua，Ub，Uc——三相定子繞組輸入端對地參考電壓;

ia，ib，ic——定子繞組相電流;

ea，eb，ec——定子繞組反電動勢;

R——定子繞組相電阻;

L——繞組電感;

Ls——每相繞組自感;

M——每兩相繞組間互感;

U0——中點電壓。

BLDCM運動子系統(tǒng)數(shù)學模型為

式中:ω——轉(zhuǎn)子機械角速度;

Te、TL——電磁轉(zhuǎn)矩，負載轉(zhuǎn)矩;

J——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量;

Bv——黏滯摩擦系數(shù)。

1.2 BLDCM無位置傳感器工作原理

BLDCM的位置檢測方法主要有:端電壓積分法、電壓檢測法、電流檢測法、三次諧波電壓檢測法、反電動勢法等。本文采用的是線反電動勢過零點檢測法。

BLDCM采用的是兩兩導通方式，所以在每一刻只有兩相導通，這兩相電流大小相等方向相反，另一相相電流為零，所以三相電流的總和為零，當電機只有兩相導通時，將式(1)中三式相加可得

電機的線反電動勢為

由式(4)和式(5)可知，電機轉(zhuǎn)子位置與電機相反電動勢和線反電動勢密切相關(guān)。相反電動勢過零點作30°電角度的延時，就是電流的換相點。線反電動勢的過零點則直接就是換相點，不需要再作任何延時。圖2為相反電動勢、線反電動勢與電機轉(zhuǎn)子換相點的示意圖。由圖可知，線反電動勢與電機轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系比相反電動勢與電機轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系更直觀。

圖2 相反電動勢、線反電動勢與電機轉(zhuǎn)子換相點關(guān)系示意圖

2 BLDCM無位置傳感器控制系統(tǒng)仿真分析

無位置傳感器電機模型中沒有傳感器模型，換相信號由線反電動勢過零點檢測法得到。但是反電勢法在電機起步階段并不適用，本文仿真系統(tǒng)中采用三段位起動法[4]，起動階段結(jié)束后，通過切換開關(guān)切換至普通的PI控制。

基于上文分析，通過MATLAB搭建無位置傳感器BLDCM的仿真模型。模型中主要包括BLDCM本體模塊、電壓逆變模塊、電機起動模塊、相電壓采集模塊、速度控制模塊等。仿真中電機模型采用參數(shù)如下:額定電壓UN=500 V;額定轉(zhuǎn)矩TN=3 N·m;額定轉(zhuǎn)速nN=3 000 r/min。

圖3為利用三段位起動法得到的電機轉(zhuǎn)子位置電角度圖，可見在電機起動階段，電機轉(zhuǎn)速在不斷上升。

圖3 電機起動階段轉(zhuǎn)子位置電角度

圖4 為線反電動勢與各個時刻換相點之間的關(guān)系。可見，結(jié)果與前文理論分析一致，三個線反電動勢的過零點，就是換相點。

圖4 電機三相線反電動勢與換相點

圖5 為電機空載下的轉(zhuǎn)速響應曲線。由圖可知，利用“三段式”方法起動，轉(zhuǎn)速能夠在較短時間內(nèi)跟蹤給定轉(zhuǎn)速，達到較理想的起動效果。起動完畢后，系統(tǒng)通過切換開關(guān)切換到電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)PI控制，能夠達到較理想的控制效果。

圖5 電機轉(zhuǎn)速響應曲線

3 無位置傳感器控制系統(tǒng)試驗分析

基于美國TI公司高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812搭建BLDCM無位置傳感器控制系統(tǒng)，主要由主電路、采樣電路、驅(qū)動電路和保護電路等組成。系統(tǒng)的硬件控制框圖如圖6所示。

圖6 硬件控制系統(tǒng)框圖

主控制板由DSP2812和外圍電路組成，完成控制算法，輸出驅(qū)動信號，對輸出輸入信號進行處理;電流采樣電路采用外部AD芯片AD7864;驅(qū)動板電路的核心部分是功率管MOSFET和驅(qū)動芯片構(gòu)成的逆變裝置，通過接收DSP發(fā)出的6路PWM信號，并把PWM信號加上專門的驅(qū)動電路構(gòu)成MOSFET的控制電路。TMS320F2812主頻高達150 M，其高速計算性能為實現(xiàn)實時智能控制算法提供了良好的平臺，而且系統(tǒng)的控制精度高，抗干擾能力較強。

試驗用BLDCM參數(shù)如表1所示。

表1 試驗電機參數(shù)表

圖7為電機空載運行時AB線電壓的波形。因為系統(tǒng)在采樣時加了濾波電容，故圖中的電壓波形沒有出現(xiàn)二極管續(xù)流引起的脈沖。

圖7 AB兩相線電壓波形圖

圖8 為空載時VT1功率管的PWM驅(qū)動信號波形。通過反電動勢確定轉(zhuǎn)子位置信號后，經(jīng)變換得到的VT1功率管的PWM驅(qū)動信號波形。

圖8 空載時VT1功率管的PWM換相信號波形

從圖7和圖8可看出，在電機空載運行過程中，本文設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠比較準確的預測轉(zhuǎn)子的位置信號，從而為電機提供準確的換相信息，電機運行情況平穩(wěn)。

4 結(jié)語

本文主要研究BLDCM無位置傳感器控制系統(tǒng)，通過理論分析和試驗驗證得出了以下結(jié)論:

(1)采用DSP實現(xiàn)了BLDCM無位置傳感器控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、速度快、便于擴展，同時由于DSP優(yōu)異的控制性能和速度，系統(tǒng)還可以實現(xiàn)更為復雜的控制算法。

(2)采用線反電動勢法在線電壓與轉(zhuǎn)子位置之間建立了聯(lián)系，大大簡化了系統(tǒng)分析的計算難度。同時，系統(tǒng)能夠較準確地檢測到轉(zhuǎn)子的位置信號，并能為電機提供準確的換相信號。試驗運行結(jié)果與仿真波形一致，證明了所設(shè)計系統(tǒng)的有效性和合理性。

[1]張琛.直流無刷電動機原理及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.

[2]羅隆福，楊艷.無刷直流電動機中有待深入研究的主要問題[J].微特電機，2008，28(5):15-16.

[3]夏長亮，王娟.史婷娜，等.無刷直流電機無位置傳感器控制下的轉(zhuǎn)矩波動抑制新策略[J].天津大學學報，2005，38(5):432-436.

[4]杜曉蕓，林瑞光，吳建華.無位置傳感器無刷直流電機的控制策略[J].電機與控制學報，2002，6(1):21-25.

[5]ZHOU F，LI B Z，YANG J G，et al.A sliding model speed position obeyer integrated with a PI controller for PM synchronous morors[C]∥Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics，China Sanya，2007(12):1372-1377.

[6]韓安太，劉峙飛，黃海.DSP控制器原理及其在運動控制系統(tǒng)中的應用[M].北京:清華大學出版社，2003.

[7]WU H X，CHENG S K，CUI S M.A controller of brushless DC motor for electric vehicle[J].IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(1):509-513.

[8]SHI T N，TIAN Y，XIA C L.Position sensorless control based on wavelet neural netwok for PM brushlessDC motors[J].JournalofTianjin University，2007，40(2):190-194.