基于母線電流起動的車用BLDCM控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張斯其，王 帥，蘇健勇，楊貴杰

(哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱 150001)

基于母線電流起動的車用BLDCM控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張斯其，王 帥，蘇健勇，楊貴杰

(哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱 150001)

提出一種基于反電動勢換相和母線電流起動的無刷直流風機無傳感器驅(qū)動控制方案。針對典型3段式起動可靠性差、不適合頻繁啟停、濾波電路復雜等問題，提出一種依據(jù)母線電流信息進行換相的新型起動方式和反電動勢采樣屏蔽濾波設計方案。理論分析和實驗均表明，風機系統(tǒng)相比傳統(tǒng)3段式方式有著明顯的優(yōu)勢，能夠有效適應風輪這一特殊負載以及汽車內(nèi)部特殊的工作環(huán)境。

無刷直流電動機；軟起動；反電動勢檢測；汽車風機；母線電流換相

0 引 言

無刷直流電動機(Brushless DC Motor，BLDCM)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式簡單、成本較低、調(diào)速范圍大、調(diào)速性能優(yōu)良，在工業(yè)制造、加工生產(chǎn)、航天國防等領域應用廣泛。在汽車系統(tǒng)當中，無刷直流電動機也正在逐漸取代直流電機成為散熱風機的主流，水箱和散熱風機是汽車系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)動機工作過程中的熱量通過設計好的液體冷卻回路，使用水冷系統(tǒng)將熱量送出，再通過散熱風機將熱量傳導出去，以維持發(fā)動機的合適工作溫度。

一般的無刷直流風機控制系統(tǒng)需要對換相位置進行識別，所以獲取轉(zhuǎn)子位置信號的位置傳感器必不可少。但是，安裝位置傳感器帶來了一系列的問題，如電機整體尺寸和生產(chǎn)成本的增加，讓電機無法應用在一些惡劣工況，如高寒、高溫、高濕、有腐蝕性氣體液體存在等。為解決這些問題，國內(nèi)外研究專家提出了大量無位置傳感器控制方法，主要有反電動勢檢測法、電感檢測法、磁鏈檢測法及其他智能算法等。采用無位置傳感器控制的無刷直流電動機由于啟動過程中無法有效采集電機信息，實現(xiàn)直接起動比較困難，因此無刷直流電動機起動方式的研究也是無傳感器控制的熱點和難點。

本文提出并設計了一種新型無刷直流電動機無傳感器控制設計方案，針對一般控制系統(tǒng)中所存在的信號濾波，電機起動等問題提出了有效的新型解決方案。本方案采用反電動勢檢測的方法進行轉(zhuǎn)子定位，著重對傳統(tǒng)的反電動勢過零檢測進行了改進，重新設計了濾波電路的軟硬件結(jié)構(gòu)，采用分段屏蔽的方式采樣，大大簡化了外圍電路，提高了方案的可靠性。在電機起動中，通過對母線電流波形進行分析，得到了母線電流變化規(guī)律，在起動過程中利用母線電流波形脈動變化作為換相依據(jù)，進行母線電流換相，實現(xiàn)半閉環(huán)起動，優(yōu)化了起動效果，提高了起動時的負載適應能力，能夠適應頻繁啟停的工作條件，與傳統(tǒng)3段式起動方式進行了對比，在實驗中取得了良好的效果。

1 無刷直流電動機無傳感器運行原理

無刷直流電動機系統(tǒng)，由功率驅(qū)動電路、永磁電機本體和傳感器單元3部分構(gòu)成，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機運行過程中轉(zhuǎn)速信號通過轉(zhuǎn)速傳感器獲取，轉(zhuǎn)子位置信號通過位置傳感器獲取，從而實現(xiàn)正確位置換向和轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；無傳感器控制與傳統(tǒng)的控制方法相比，移除了無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)子位置傳感器，轉(zhuǎn)而利用運行過程中的其他參數(shù)信息來間接地推算到轉(zhuǎn)子位置信號，換相使用推算出的位置信息，同時轉(zhuǎn)速信號通過位置信息微分計算得到，整體的閉環(huán)控制方案得以實現(xiàn)。

目前對于直流無刷電機進行無傳感器控制方法很多，主要有反電動勢檢測法、電感檢測法、磁鏈檢測法及其他智能算法等。其中反電勢檢測的方法是最可靠最實用應用最為廣泛位置信號檢測方法。

圖1 直流無刷電機拓撲圖

ωt=30°電角度時為A相反電勢過零點的時刻，如圖2所示，當檢測電路檢測到這一過零點時，延后30°電角度，即電角度為60°時進行換相操作；A相導通，經(jīng)過120°電角度后，電角度為180°時，再次進行換相操作，A相關斷，操作B相導通。按照這一導通順序，電機就可以實現(xiàn)連續(xù)運行。所以在反電動勢檢測方法中，只要對ABC三相反電勢的過零點時刻進行檢測，就可以得到準確的換相位置信息，這就是反電勢檢測法的基本原理。

圖2 反電動勢過零點與換相點分布圖

2 基于母線電流的電機起動策略

無傳感器運行狀態(tài)需要采集電機運行過程中的各項參數(shù)，一般為反電動勢和電流，這在電機轉(zhuǎn)速較低或為零的情況下無法進行，所以需要專門的起動措施使電機運行至能夠穩(wěn)定捕捉到反電動勢等相關信號的轉(zhuǎn)速，使其能夠順利切入無傳感器運行狀態(tài)。

目前，3段式起動方法是目前直流無刷電機無傳感器控制系統(tǒng)最為主要的起動方式，應用場合十分廣泛。3段式起動法是指，第一步對轉(zhuǎn)子進行初定位，第二步使用外同步的方式使電機實現(xiàn)加速，第三步反電動勢過零點信號可以可靠有效地采集到時，切換到位置閉環(huán)運行方式，實現(xiàn)電機啟動。使用3段式起動法時，對于負載的適應性比較差，且單獨的外同步加速時，電機電流很大，損耗升高，且容易失步。車用風機工作情況復雜，頻繁啟停、且負載變化劇烈，這使得傳統(tǒng)3段式起動方式更加不適用。

本文針對3段式起動方式的這種缺點，采用電機運行中的另一重要信號——電流進行輔助換相。由于汽車風機對于體積和可靠性的嚴格要求，采用單電阻母線電流采用來對母線電流信號進行采樣。利用母線電流信號來輔助換相。這種電機升速的起動策略，能夠大大提高風機的起動能力和起動的成功率，這對于頻繁啟停、且負載變化劇烈的汽車風機有著非常重要的意義。

在直流無刷電機運行過程中，母線電流為各相相電流的分段組合。采用三相導通工作方式時，橋臂工作方式為6個基本的非零空間矢量以及2個零矢量，即V1(001)，V2(010)，V3(011)，V4(100)，V5(101)，V6(110)和V7(111)，V0(000)。其母線電流與開關狀態(tài)的對應關系如表1所示。

表1 母線電流與開關狀態(tài)對應關系

工作在兩相導通狀態(tài)下時，母線電流情況與三相導通工作狀態(tài)時相同，均是由各相的相電流和零電流拼接而成的。圖3為理想狀態(tài)下6狀態(tài)連續(xù)工作時，母線電流的仿真波形。仿真參數(shù)與實驗使用電機參數(shù)一致。

圖3 6個扇區(qū)連續(xù)運行時母線電流信號仿真波形

由仿真波形可以看出，由于電機電感的影響，母線電流在每一個工作扇區(qū)內(nèi)呈單調(diào)上升趨勢，在電流達到某一閾值時進行換相，雖然根據(jù)這一條件無法得知對應換相的具體扇區(qū)，但是可以較為準確的得到換相點的位置，在起動過程中由外同步進行牽引之后，再依據(jù)母線電流繼續(xù)換相進行升速仍然可以實現(xiàn)半閉環(huán)的運行狀態(tài)。

在實際電機系統(tǒng)運行過程中，采用兩相導通，上橋臂斬波，下橋臂常開的PWM控制方式。系統(tǒng)實際運行過程中的母線電流波形如圖4所示。

圖5為母線電流換相過程中母線電流波形與換相信號的關系，電流波形中可以明顯觀察到在正確的換相點處，母線電流出現(xiàn)了明顯的上升，利用這一特點，可以在實際系統(tǒng)中利用母線電流上升的高點處進行換相。由于母線電流換相無法完美跟隨轉(zhuǎn)子位置進行換相，所以與正常運行過程中的電流波形相比，斜率更高，且未見飽和現(xiàn)象，波形圖中所出現(xiàn)尖峰為換相信號所帶來的電感續(xù)流尖峰，這在后級母線電流采樣部分將被濾除，不會影響換相過程。由于實際運行過程中電機電感和電阻在不同電流和溫度情況下可能出現(xiàn)變化，尤其是電感的變化會導致電流上升的具體趨勢與仿真結(jié)果略有不同，但仍表現(xiàn)為單調(diào)上升的趨勢，與仿真結(jié)果一致，故對采樣算法并不會產(chǎn)生影響。濾波后采樣信號如圖6所示。

圖4 兩相導通工作狀態(tài)下母線電流波形

圖5 母線電流換相下母線電流與位置信號對應關系

圖6 濾波后采樣信號與母線電流信號對比

實現(xiàn)過程中對母線電流進行多次采樣并取均值得到電流基準值，當采集到的電流比較值與電流基準值的比值大于程序中設定的閾值之后，就將導致一次電流換相。這種利用多次采樣計算電流基準值的方法能有效識別出母線電流信號中的上升部分，從而提供有效的換相信號。

運行過程中對母線電流換相設定一定的運行次數(shù)，在負載起動困難的情況加可以通過增大母線電流運行次數(shù)的方式加強起動能力，能夠有效克服重載情況對起動過程的影響。同時在起動過程中隨時監(jiān)測起動是否成功，若出現(xiàn)起動失敗將重復起動程序，嘗試重新進行電機起動。起動過程如圖7所示。

圖7 電機起動過程

3 反電動勢信號檢測與濾波

反電動勢檢測是整個系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié)，其為系統(tǒng)提供電機準確的位置信號，使電機能夠正確換相，并進行位置信號的提取。

傳統(tǒng)系統(tǒng)中采用電阻與電容并聯(lián)的方式反電動勢進行采用，電容能夠?qū)Ω蓴_信號起到一定的抑制作用，但是電容的引入必然帶來采樣信號的相移，給反電動勢信號的處理和運算帶來了諸多不便，如果不加處理將降低整個系統(tǒng)的運行性能。

本系統(tǒng)采用比較三相電壓與電機虛擬中性點電壓的方式來提取換相信號，由于設計中采用內(nèi)部集成了三路模擬比較器的MCU，使得采樣外圍電路的結(jié)構(gòu)得到了進一步優(yōu)化，僅使用分壓電阻即可得到反電動勢信號。但是在采樣過程中，由于PWM的作用，比較器將接收到高頻開關信號，必須按照PWM的頻率進行同步屏蔽，才能檢出有效的信號。而且在執(zhí)行換相后，電感續(xù)流尖峰會帶來錯誤的比較輸出，也須加以屏蔽。所以在本設計方案中分別使用2個PWM定時器來屏蔽PWM同步信號和電感續(xù)流尖峰。屏蔽方式如圖8所示。

圖8 反電動勢采樣濾波示意圖

圖8中對定時器T1設定信號捕獲窗口以實現(xiàn)高頻信號的濾除，同時定時器T2在實現(xiàn)延時30°電角度換相功能之后延時一段電感續(xù)流尖峰屏蔽時間，以濾除電感續(xù)流尖峰對比較器輸入的影響。圖9為實際運行過程中采集的端電壓信號，可以明顯的觀察到電感續(xù)流尖峰以及PWM開關信號對信號采集所帶來的影響。

圖9 實測反電動勢采樣波形圖

這種設計方式使用MCU內(nèi)部軟硬件取代了傳統(tǒng)反電動勢檢測過程中濾波，放大以及AD采樣的硬件電路，且沒有引入相移，大大優(yōu)化了外圍電路。

4 車用永磁無刷風機控制器設計

本文設計的無刷直流電動機無傳感器控制系統(tǒng)如圖10所示。電路構(gòu)成分為3部分：MCU、控制電路和主功率電路。主電路包括功率開關管構(gòu)成的全橋逆變電路和過流過壓檢測保護電路。驅(qū)動保護電路包括了功率驅(qū)動電路和保護電路；控制電路主要包括起動和運行控制2部分，分別對起動過程和反電動勢檢測進行處理。

圖10 硬件電路總體設計

功率電路采用三相全橋式的結(jié)構(gòu)，功率開關管采用IRF3205，柵源電壓55V，漏極電流110A。且主電路中對于過流和過壓均有檢測和保護電路，防止工作過程中開關管工作異常發(fā)生損壞。

5 實驗結(jié)果

實驗中，XMC1300單片機控制器以及主電路構(gòu)成主要控制系統(tǒng)，采用一臺三相Y型無刷直流電動機進行實驗，在所搭建的硬件平臺上實現(xiàn)了軟件的設計，并對設計方案在硬件平臺上進行了實驗測試與研究，用以證明所設計控制方案的可行性。

實驗中使用的無刷電機基本參數(shù)：電機端電壓最大值為17V，直流母線電壓24V，額定轉(zhuǎn)速為3 500r/min，電流最大值為15A，電流峰值為20A，定子電阻(每相)為0.9Ω，定子相數(shù)為3，轉(zhuǎn)子極對數(shù)為2。

圖11為起動過程中母線電流的變化趨勢，圖12為3段式起動過程中母線電流變化趨勢。采用反電動勢換相過程可以明顯區(qū)分出起動過程的各個階段。電流在切入電流換相過程之后變化頻率明顯增大。從圖中虛線可以看到，且隨轉(zhuǎn)速升高呈現(xiàn)下降趨勢直至切入反電動勢運行，說明在電流換相過程中能夠有效更隨轉(zhuǎn)子位置，有效降低起動損耗，從而提高起動能力。而3段式起動過程起動電流不斷增大，說明其對轉(zhuǎn)子位置無法有效跟隨，且損耗和噪聲均很大。

圖11 起動過程中母線電流波形圖12 3段式起動過程中母線電流波形

圖13～圖15為起動負載不斷增大過程中風機的電流變化趨勢與位置信號的對應關系。負載由制動器和風輪同時產(chǎn)生，起動開始階段速度低風輪幾乎無負載，起動負載主要由制動器提供，隨著速度的升高，運行負載由制動器和風輪共同提供。隨著起動負載的增大，起動過程中外同步運行以及母線電流換相電流也逐漸增大，但均能有效起動。在起動負載稍重為10N·m時，風機在使用傳統(tǒng)3段式起動方式下無法進行正常的起動，如圖16所示，這是由于起動負載很大且風機負載在運行加速過程中運行負載會逐漸大于起動負載，這進一步增加了起動過程的難度。

圖13 空載下起動母線電流與換相點對應關系圖14 負載為5N·m下起動母線電流與換相點對應關系

圖15 負載為10N·m下起動母線電流與換相點對應關系圖16 負載為10N·m下3段式起動失敗母線電流波形

圖17為圖9母線電流換相部分局部放大，可以看出母線電流換相與實際理想換相位置之間存在一定的誤差，但相比外同步運行，已經(jīng)能夠較好的跟隨轉(zhuǎn)子位置。

圖17 母線電流與換相點對應關系

圖18～圖20為電機正常反電動勢運行過程中反電動勢采樣信號與換相信號以及相電流的對應關系，換相點與反電動勢過零點幾乎一致，誤差極小，說明反電動勢濾波很好的對反電動勢信號進行了處理，成功捕捉到了反電動勢過零點，且沒有引入相移信號。

圖18 U相端電壓采樣值圖19 三相端電壓采樣值與換相信號對應關系

圖20 U相端電壓采樣值與相電流對應關系

6 結(jié) 語

針對車用低壓無刷直流風機的工作特點，本文提出了一套完整的利用反電動勢運行,母線電流起動的直流無刷風機無傳感器驅(qū)動方案。采用基于母線電流換相的無傳感器起動策略，利用母線電流脈動提取換相信號，提高了負載情況下的起動能力，在不同負載條件下均能可靠起動。并針對無刷電機無傳感器控制中關鍵的反電動勢檢測方式進行了重新設計，采用檢測屏蔽的方式排除了干擾信號，提高了檢測的準確性。實驗結(jié)果與理論分析相吻合，均證明了該方案的有效性。能夠有效適應風輪這一特殊負載以及汽車內(nèi)部低電壓、大電流,以及頻繁啟停的工作環(huán)境。

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Design of BLDCM Control System for Vehicle Based on Current Commutation Starting

ZHANGSi-qi，WANGShuai，SUJian-yong，YANGGui-jie

(Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

A sensorless drive control scheme for brushless DC fans based on the anti electric potential and bus current commutation. The reliability of the typical three stage startup is poor, and it’s not suitable for frequent start and stop and complexity of traditional filter circuit, a new starting mode of the phase commutation with bus current was proposed. Both theoretical analysis and experimental results show that the wind turbine system has obvious advantages compared to the traditional three stage startup mode, and the scheme can effectively adapt to the special load of the wind wheel and the working environment of the vehicle.

BLDC；soft-starting；back-EMF detection；automobile fan；bus current commutation

劉細平(1976-)，男，博士，教授，研究方向為稀土永磁電機設計、風力發(fā)電及其相關控制。

2015-11-11

TM33

A

1004-7018(2017)01-0044-05