電動載貨車無刷直流電動機(jī)雙模控制器的研制

任志斌，李家良，黃 清，童穩(wěn)康

(江西理工大學(xué)， 贛州 341000)

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電動載貨車無刷直流電動機(jī)雙模控制器的研制

任志斌，李家良，黃 清，童穩(wěn)康

(江西理工大學(xué)， 贛州 341000)

針對電動載貨車電機(jī)霍爾可能出現(xiàn)故障，導(dǎo)致車輛不能正常行駛的問題，設(shè)計一款既可以在有霍爾位置傳感器的情況下工作，又可以在霍爾位置傳感器損壞或無霍爾位置傳感器情況下工作的控制器。在無霍爾位置傳感器模式下，采用短時脈沖閉環(huán)起動方法起動電機(jī)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定時，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置通過端電壓法獲取，利用反電勢過零點(diǎn)檢測法實(shí)現(xiàn)換相。實(shí)驗驗證了雙模控制器運(yùn)行的可行性，運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)。

無刷直流電動機(jī)；雙模控制器；霍爾位置傳感器；短時脈沖起動法

0 引 言

無刷直流電動機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行效率高的特點(diǎn)，并且避免了有刷電機(jī)電刷易磨損的問題，減少了電機(jī)的維護(hù)成本。但是無刷直流電動機(jī)在運(yùn)行過程中需要霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，從而實(shí)現(xiàn)換相，但是在條件比較惡劣的情況下，霍爾元件可能出現(xiàn)故障，所以為了提高系統(tǒng)的可靠性以及降低成本，研究一款既可以在有霍爾位置傳感器的情況下工作，又可以在位置傳感器損壞或無位置傳感器情況下工作的控制器。

目前電動載貨車上使用的無刷直流電動機(jī)大多帶有霍爾位置傳感器，但也有不帶位置傳感器的。有位置傳感器的無刷直流電動機(jī)可以方便地由位置傳感器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，控制器根據(jù)位置傳感器提供的轉(zhuǎn)子位置信號實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換相，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。對于無位置傳感器的控制器，由于沒有了檢測位置的傳感器，因此，需要通過其它方法間接得到轉(zhuǎn)子位置。

文獻(xiàn)[1]使用磁鏈法，通過檢測電機(jī)定子電流、電壓和電阻估算出電機(jī)磁鏈值，并在此基礎(chǔ)上估算出轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)此位置進(jìn)行換相。磁鏈法比較依賴電機(jī)參數(shù)，電流檢測和電壓檢測的精度也對磁鏈計算影響很大，因此在實(shí)際應(yīng)用中還不廣泛，技術(shù)也不夠成熟；文獻(xiàn)[2]使用反電動勢法，當(dāng)無刷直流電動機(jī)以一定速度穩(wěn)定運(yùn)行時，電機(jī)非導(dǎo)通相反電動勢的過零點(diǎn)再延遲30°+k60°(k=0,1,2，…)電角度就是正常換相點(diǎn)。但是在電機(jī)靜止或低速時，反電動勢為零或很小，過零點(diǎn)信號的獲取極為困難，因此存在起動困難問題，許多專家學(xué)者對此展開了深入研究[3-4]。

文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]使用的是預(yù)定位起動法，首先給電機(jī)通任意換相信號，將電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到要求的位置，然后按換相順序依次給電機(jī)繞組通電，直到電機(jī)能檢測到可靠的反電勢信號，順利起動。這種方法不易掌握切換時間，多在空載情況下使用[11]；文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]描述了升頻升壓起動法，此法參考同步電機(jī)的起動方法，不需考慮切換時間，但需額外的硬件電路，增加了成本；文獻(xiàn)[9]分析了一種電壓插值起動法，根據(jù)電機(jī)起動時的換相時間和直流母線電壓的關(guān)系，擬合出離線情況下兩者的3次樣條插值函數(shù)，通過此函數(shù)在線調(diào)整換相時間。此法計算量較大，需要單片機(jī)有一定的存儲空間用來存儲相關(guān)數(shù)據(jù)。

本文研究的雙模控制器是指無刷直流電動機(jī)可以運(yùn)行在有位置傳感器和無位置傳感器兩種模式下。當(dāng)位置傳感器正常時，控制器通過位置傳感器獲得轉(zhuǎn)子位置信息，實(shí)現(xiàn)換相；當(dāng)位置傳感器損壞時，控制器自動切換至無傳感器模式下運(yùn)行。

1無刷直流電動機(jī)有位置傳感器模式下工作過程

無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)主要由三大部件組成：電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器(也可以不需要)、控制器，系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 無刷直流電動機(jī)控制框圖

本文研究的電動機(jī)為霍爾安裝120°電動機(jī)，電動機(jī)霍爾傳感器輸出信號與開關(guān)管工作狀態(tài)及電機(jī)反電勢、相電流關(guān)系如圖2所示。根據(jù)霍爾傳感器信號進(jìn)行電機(jī)換相，從而使得無刷直流電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 無刷直流電動機(jī)霍爾信號、開關(guān)管工作狀態(tài)、反電動勢及相電流關(guān)系

2無刷直流電動機(jī)無位置傳感器模式下工作過程

2.1 無位置傳感器模式下起動方法分析

無刷直流電動機(jī)反電動勢的大小與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系[10]，電動機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速之后反電動勢的幅值才比較明顯。由于電機(jī)靜止或低速時，反電動勢為零或很小，故檢測不到反電動勢過零點(diǎn)[11]，因此需要使用其它方法起動電機(jī)，待轉(zhuǎn)速上升到一定程度后，再使用反電動勢檢測轉(zhuǎn)子位置信息。

2.2 短時脈沖起動法

電動機(jī)等效電壓方程：

(1)

對處于靜止或低速狀態(tài)下的無刷直流電動機(jī)，認(rèn)為電機(jī)反電動勢等于零。故式(1)變?yōu)椋?/p>

(2)

解式(2)可得：

(3)

(4)

從式(4)可以看出，施加電壓矢量的時間和幅值相同時，產(chǎn)生的電流大小與電感成反比。而定子等效電感大小受轉(zhuǎn)子永磁體位置影響，故可通過對定子施加不同脈沖電壓矢量，并監(jiān)測每個電壓矢量施加完后直流母線上的電流大小，即得到等效電感大小，進(jìn)而間接推測出轉(zhuǎn)子位置。

帶有鐵心的無刷直流電動機(jī)繞組受轉(zhuǎn)子永磁體增磁或減磁作用，三相繞組等效電感會相應(yīng)的減小或者增大。等效電感變化后，相同電壓矢量下流過繞組的電流也會發(fā)生變化，給電機(jī)繞組通大小和時間相同、合成電壓矢量方向不同的短時脈沖電壓，繞組上的電流響應(yīng)也不同。通過比較電流大小可以推出電感大小，進(jìn)而推出轉(zhuǎn)子所處的位置。

本文采用三三導(dǎo)通方式中的6個電壓矢量來判斷轉(zhuǎn)子位置，分別使用U1～U6來表示這6個電壓矢量，在三相橋式電路基礎(chǔ)上產(chǎn)生這6個電壓矢量的開關(guān)管工作情況如表1所示。表中1代表對應(yīng)開關(guān)管導(dǎo)通，0代表對應(yīng)開關(guān)管關(guān)斷。6個電壓矢量方向如圖3中U1～U6所示，再加上圖中的虛線，將360°電角度空間分成12個區(qū)間，每個區(qū)間的范圍如圖3中P1～P12所示。根據(jù)圖2可知，有霍爾位置傳感器的情況下，轉(zhuǎn)子的換相區(qū)間有6個，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，虛線所處的位置是電機(jī)的換相時刻。

為方便描述，下文將U1～U6稱為檢測矢量，施加6個檢測矢量U1～U6產(chǎn)生對應(yīng)的電流響應(yīng)分別記為I1～I(xiàn)6，為盡量減小前面施加的檢測矢量的磁場滯后影響后面檢測矢量，連續(xù)兩次施加的檢測矢量應(yīng)互隔180°電角度，施加檢測矢量的順序為U1→U4→U2→U5→U3→U6，每次檢測矢量結(jié)束時檢測直流母線電流，將電流值分別記錄下來，比較各電流大小關(guān)系，根據(jù)表2辨別出轉(zhuǎn)子處在哪個位置區(qū)間。

表1 產(chǎn)生不同電壓矢量開關(guān)管工作情況表

圖3 電壓矢量和轉(zhuǎn)子位置區(qū)間

表2 電流響應(yīng)大小與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系表

施加6個脈沖電壓檢測到電機(jī)初始位置后，需將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提升到能可靠檢測到反電動勢過零點(diǎn)的速度。對于負(fù)載大小不定的電動車，使用開環(huán)起動方法容易造成過流或起動失敗現(xiàn)象，因此針對電動車帶載情況復(fù)雜的特點(diǎn)，使用一種閉環(huán)起動方法，提高電動機(jī)的起動性能。假設(shè)電機(jī)靜止時，通過前述發(fā)6個短時脈沖的方法檢測到轉(zhuǎn)子位置處于如圖4所示的P1區(qū)間，若此時電機(jī)需按順時針方向旋轉(zhuǎn)，則控制開關(guān)管VT2和VT3導(dǎo)通(這里稱之為驅(qū)動矢量)，如圖4中驅(qū)動矢量1所示方向，此驅(qū)動矢量產(chǎn)生的磁動勢拖動轉(zhuǎn)子往順時針方向旋轉(zhuǎn)；施加一小段時間驅(qū)動矢量后，再施加兩個檢測矢量U1和U2，比較兩個矢量產(chǎn)生的電流I1，I2的大小，可判斷此時轉(zhuǎn)子位置；若I1>I2，則轉(zhuǎn)子位置還在Ⅰ區(qū)間，此時繼續(xù)控制VT2，VT3導(dǎo)通；若I1

圖4 轉(zhuǎn)子處于P1區(qū)的無位置傳感器起動

2.3 反電動勢過零點(diǎn)檢測法運(yùn)行

2.3.1 端電壓檢測法

以A相繞組為例，根據(jù)電動機(jī)端電壓、相電壓與中性點(diǎn)電壓的定義可得：

(5)

式中：ua，uan和un分別表示電動機(jī)端電壓、相電壓以及中性點(diǎn)電壓。由式(5)以及電機(jī)定子三相繞組的電壓平衡方程可得無刷直流電動機(jī)三相繞組端電壓平衡方程[12]：

(6)

對于未引出中性點(diǎn)的采用三相星形接法的無刷直流電動機(jī)，由基爾霍夫電流定律有：

(7)

根據(jù)式(7)，將式(6)中三相端電壓相加可得：

(8)

仍以A相繞組懸空為例，此時B相和C相繞組反電動勢大小相等、方向相反，忽略開關(guān)管壓降，直流側(cè)電壓ud等于B，C兩相端電壓之差，且懸空相A相端電壓大小等于A相反電動勢與電動機(jī)中性點(diǎn)電壓之和，得到以下三式：

(9)

故懸空相A相的反電動勢可表示：

(10)

在A相不導(dǎo)通，B，C相繞組導(dǎo)通的情況下，由式(8)和式(9)可得：

(11)

將式(11)代入式(10)可得：

(12)

從式(12)可看出，反電動勢ea的過零點(diǎn)時刻就是端電壓與電動機(jī)中性點(diǎn)電壓或直流側(cè)電源中點(diǎn)電壓相等時刻，根據(jù)繞組的對稱性，其它兩相繞組的反電動勢過零點(diǎn)時刻也可通過此方法獲得。

2.3.2 模擬電機(jī)中性點(diǎn)電壓比較法

無刷直流電動機(jī)一般不引出中性線，通常使用三個電阻模擬電動機(jī)的中性點(diǎn)，將模擬電動機(jī)中性點(diǎn)作為參考電壓。本文采用以模擬中性點(diǎn)電壓作為參考電壓進(jìn)行比較的方法，獲取反電動勢過零點(diǎn)，如圖5所示，由式(10)可知，電機(jī)運(yùn)行過程中，反電動勢過零點(diǎn)時刻就是當(dāng)繞組處于懸空狀態(tài)時端電壓等于電動機(jī)中性點(diǎn)電壓的時刻。

圖5 模擬中性點(diǎn)電壓比較法

各相端電壓經(jīng)過濾波電路濾波后，與模擬電動機(jī)中性點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，兩電壓相等的時刻就是反電動勢過零點(diǎn)時刻，此時對應(yīng)的比較器輸出電平翻轉(zhuǎn)，單片機(jī)通過檢測三個比較器輸出的電平值決定下一次導(dǎo)通的兩相繞組。圖6為理想狀態(tài)下反電動勢與比較器輸出波形，ea，eb，ec分別指電動機(jī)A，B，C三相繞組各自的反電動勢，SA，SB，SC分別為反電動勢與零點(diǎn)電壓經(jīng)比較后的輸出信號波形。

圖6 反電動勢與過零點(diǎn)信號

2.3.3反電勢過零檢測法

在電機(jī)加速階段，單片機(jī)不斷檢測反電動勢信號的變化情況，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的幅值(該值經(jīng)多次試驗測出)，同時連續(xù)檢測到反電動勢信號變化情況與電動機(jī)正常運(yùn)行時變化情況一致且至少是六次，則進(jìn)入根據(jù)反電動勢過零點(diǎn)決定電機(jī)換相的運(yùn)行狀態(tài)。從圖6中看出T1，T3為B相、A相反電動勢過零點(diǎn)時刻，T2，T4為電機(jī)實(shí)際換相時刻，T3延遲30°時間到達(dá)T4時刻。但實(shí)際的換相點(diǎn)存在誤差，為保證可靠換相，本文對換相點(diǎn)時刻延遲一段時間T0，因此30°電角度所對應(yīng)時間[13]：

(13)

當(dāng)速度滿足反電勢過零檢測法條件時，計算相鄰兩次反電勢過零點(diǎn)之間的時間來計算下一次延時時間ΔT，A相反電勢過零點(diǎn)時刻延時ΔT后，A相實(shí)施換相。以此類推，從而實(shí)現(xiàn)平滑切換至反電勢運(yùn)行。

3實(shí)驗結(jié)果

根據(jù)前文對無刷直流電動機(jī)控制方法的理論分析以及軟硬件設(shè)計，搭建出控制平臺進(jìn)行開發(fā)和實(shí)驗，最終設(shè)計出一款實(shí)用的電動載貨車控制器。由企業(yè)提供的電機(jī)為4對極、額定電壓60V、額定功率為2 000W的無刷直流電動機(jī)，經(jīng)試驗各種運(yùn)行狀態(tài)下主回路最大電流為60A。試驗平臺如圖7(a)所示，圖7(b)為實(shí)際裝車測試車輛。

(a)實(shí)驗平臺(b)實(shí)際裝車測試車輛

圖7 實(shí)驗平臺及實(shí)際裝車測試車輛

圖8為霍爾信號采集電路采集的兩路霍爾經(jīng)濾波后的波形。可以看出，霍爾信號波形良好，且兩路霍爾信號相位互隔120°電角度，與理論相符。

圖8 兩路霍爾信號

無位置傳感器模式運(yùn)行時，需要從端電壓中提取反電動勢過零點(diǎn)信號，經(jīng)濾波后的端電壓與模擬中性點(diǎn)電壓如圖9所示。圖10為濾波后的端電壓及其與模擬中性點(diǎn)電壓經(jīng)比較電路比較后的輸出波形，單片機(jī)根據(jù)比較器的輸出信號確定電機(jī)的換相時刻及換相繞組。

圖9 濾波后端電壓與模擬中性點(diǎn)電壓圖10 端電壓及經(jīng)比較器比較后的輸出波形

圖11為短時脈沖法檢測轉(zhuǎn)子初始位置時在直流側(cè)觀察到的電流響應(yīng)波形圖。圖中每個尖峰為施加一個脈沖電壓后，直流母線電流經(jīng)放大后進(jìn)入單片機(jī)模數(shù)通道的引腳，單片機(jī)通過AD模塊獲得6個電流響應(yīng)的大小，判斷出轉(zhuǎn)子位置。圖12為霍爾信號與反電動勢信號。可以看出，反電動勢信號超前霍爾信號約30°電角度，再通過軟件計算，可以達(dá)到正確換相的目的。

圖11 6脈沖定位法電流響應(yīng)圖12 霍爾信號與反電動勢比較信號

4結(jié) 語

本文設(shè)計的無刷直流電動機(jī)雙模控制器不僅能在有位置傳感器模式下運(yùn)行，也可以在無位置傳感器模式下運(yùn)行。在無位置傳感器模式下，先通過短時脈沖起動閉環(huán)起動方法起動電機(jī)，待連續(xù)檢測到反電勢信號變化情況與電機(jī)正常運(yùn)行時變化情況一致時，則切換至反電勢運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)驗結(jié)果驗證了本文采用的短時脈沖起動法的可行性，經(jīng)實(shí)際裝車試驗，達(dá)到預(yù)期效果，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。

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Development of Electric Trucks Dual-Mode Controller on BLDCM

RENZhi-bin,LIJia-liang,HUANGQing,TONGWen-kang

(Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

Dual-mode controller can work both in Hall sensor mode and position sensor damaged even without position sensor in order to avoid vehicle breakdowns because of Hall fault. In no position sensor mode, the motor started through short pulses closed-loop method. When the motor reached a certain speed, commutation was achieved by back EMF zero crossing detection method and rotor position was obtained by terminal voltage. Feasibility of dual-mode controller was verified through experiments. The results show that the controller operates in good condition.

BLDCM; dual-mode controller; Hall position detection; short pulses method

2015-06-26

江西省教育廳2014年度科學(xué)技術(shù)研究項目(GJJ-14440)；國家自然科學(xué)基金項目(51007033)

TM33

A

1004-7018(2016)04-0060-05

任志斌(1967-)，男，博士，教授，研究方向為電動車控制技術(shù)及伺服控制技術(shù)。