一種基于FIFO思想的低速下無刷直流電機速度研究

付繼先，楊冬嬌

（1.貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550081；2.國家精密微特電機工程技術研究中心，貴州 貴陽 550081；3.中國航發貴陽發動機設計研究所，貴州 貴陽 550081）

0 引言

無刷直流電機的速度研究是推廣其應用領域的關鍵技術之一[1]，此外，在速度閉環控制系統中，速度精度、速度周期決定了控制精度的理論上限。迄今為止，國內外學者對無刷直流電機的速度進行了廣泛的研究[2-4]，按研究原理主要分為三類：（1）模擬研究；（2）同步研究；（3）解析研究。模擬研究是依據轉速與某模擬量的關系間接獲得電機轉速；同步研究是采用已知頻率的旋轉體與電機轉速同步，從而得到電機的轉速；解析研究是以速度定律為準則，不同應用背景下對定律進行修正，直接得到電機轉速。

鐘灶生[5]等人基于電機位置傳感器，將三路傳感器輸入CPLD進行六倍頻并將其作為速度反饋信號，這極大地提高了速度計算周期，減小了速度環調節時間。然而，當電機速度低于2000r/min時，速度波動達160r/min。Chaofeng Pan[6]等人以一路霍爾信號研究電機轉速，發現目標速度為300r/min時，信號進行2次濾波后，輸出的速度誤差依然有274r/min。很多學者[7-8]利用電機反電勢對電機速度進行估算，但該技術僅應用在中、高速下電機轉速的表征，這是由于電機在低速運行時，很難有效地識別反電勢接差。Latha，R[9-10]等人采用自適應控制技術估算電機速度，并進行了大量的研究工作，但該技術伴隨著復雜的計算，需要高速的處理器，增加了成本。研究者[11]采用精密的編碼器對無刷直流電機速度進行研究，該方法速度精度高，適用范圍廣。然而，昂貴的編碼器，占驅動系統的很大一部分比例，此外，其需要單獨增加編碼器，使體積進一步增大。Hui，S[12]等人采用光學反射式齒輪進行速度研究，測量精度高，傳輸距離長，適用于電磁干擾或傳感器傳感距離較寬的場合，缺點就是體積大，成本高。

綜上所述，采用現有方法進行低速下無刷直流電機速度的表征，往往伴隨著輔助電路復雜、體積大，結果不可靠、誤差率高，速度周期長，成本高等問題。該類問題嚴重限制了無刷直流電機在小體積、低成本條件下的可靠應用。因此，一種新型的、可靠的、低沉本的、小體積的表征低速下無刷直流電機速度的方法是亟待解決的關鍵。

本研究提出了一種基于霍爾FIFO的測速思想，以霍爾傳感器為位置脈沖信號，采用T法測量低速下無刷直流電機速度的新方法。首先分析了形位公差對霍爾位置傳感器的影響機理；基于分析理論，研制小速度無刷直流電機控制系統；最后試驗驗證霍爾FIFO測速法的可靠性。研究結果為無刷直流電機應用背景的推廣奠定了理論基礎與技術支持。

1 理論分析

1.1 形位公差對位置傳感器的影響機理分析

無刷直流電機位置傳感器通常采用雙極鎖存型霍爾傳感器。基于霍爾效應[13]，傳感器法線方向上的磁感應強度的Bcos 大小決定其輸出Vout電平的高低，其中B為外磁感應強度，為傳感器法線與外磁感應強度方向的夾角。當Bcos 大于導通值BOP時，傳感器輸出低電平；當Bcos 小于釋放值BRP時，傳感器輸出高電平，其余值保持上一個電平狀態，其工作原理如圖1所示。因此，有效磁感應強度的大小是影響傳感器實際輸出的關鍵。

圖1 雙極鎖存型霍爾傳感器工作原理圖

電機本體中存在諸多形位公差，如轉子磁極周向尺寸誤差，傳感器安裝誤差，安裝板設計及安裝誤差，電機轉子與安裝板同軸度誤差等。該公差導致位置傳感器上的有效磁感應強度Bcos 發生變化，使傳感器輸出電平出現超前、滯后，間隔不相同等現象，其導致的原因分別為：（1）超前、滯后主要是霍爾傳感器的中心法線與轉子圓心線存在角引起的；（2）電平間隔不等是由轉子圓心與安裝板圓心同軸度誤差，轉子磁極周向尺寸誤差，傳感器安裝誤差等所致，如圖2所示。

圖2 4 極、12 槽BLDCM 徑向剖面圖

結合電磁學理論，進一步分析電機形位公差對三路霍爾位置傳感器輸出電平的影響，圖3為4極、12槽BLDCM周向剖面圖。由圖可知，電機一轉內三路位置傳感器電平變化機械角δ和T不一致，這是由于電機轉子N、S極周向尺寸1、2、3、4不等、傳感器法線與外磁感線強度方向夾角導致的。此外，霍爾信號兩脈沖的時間差T和機械角δ以360°機械角周期性地復現。

圖3 4 極、12 槽BLDCM 周向剖面圖

1.2 T測速法理論分析

T測速法[14]是統計物體經過間隔為 （度/°）的兩個脈沖的時間 （秒/s），然后根據式（1）計算得到的值即為物體速度 。由式（1）分析可知，在兩脈沖間隔已知情況下，該法得到的速度，最大誤差為一個時鐘計數。以頻率為f的時鐘為時間計數信號，則兩個脈沖之間的計數差為x，最大誤差為±1，誤差率β由式（2）進行計算。

1.3 FIFO理論分析

FIFO[15]是一種具備連續緩存或者存儲數據的緩存器、存儲器，操作中遵循先進先的原則，其工作原理如圖4所示。FIFO主要應用于跨頻率之間的數據傳輸、不同位寬的數據匹配、數據流處理。其具有傳輸速率快、順序執行不丟幀、循環時間短等特點。

圖4 FIFO 工作原理

2 控制系統研制

控制系統主要由兩部分組成：（1）硬件系統；（2）軟件系統。硬件系統應具備通訊、電流采樣、電壓采樣等能力，而軟件系統包括通訊、換向、測速等能力。

2.1 硬件系統研制

系統主控芯片采用ALTERA的型號為EP3C25F256I7N的現場可編程器件（FPGA），該芯片相對于DSP、MCU芯片，具有強大的并行處理和高速運算能力，特別適用于大型的計算；采用光耦TLP2105作為主控芯片和驅動電路的隔離器件，IR2110驅動芯片具有驅動能力、抗干擾能力強等優點，將其作為三相逆變橋的驅動電路。此外，ADM2582實現上位機與系統的RS422通信。硬件系統原理如圖5所示。

圖5 硬件系統原理圖

2.2 軟件系統研制

采用T法研究電機轉速，誤差率δ主要決定兩脈沖之間的時間計數差T，T越大，誤差率β越小。而低速下電機的速度測量，時鐘頻率都是M級以上，對于計數誤差為1，該方法測量結果無限接近于真實值，影響結果忽略不計。然而，很多學者采用該方法獲取低速下無刷直流電機的速度，都伴隨有速度更新周期長或速度誤差大等現象。由上述分析可知，速度精度差主要由雙極鎖存型霍爾傳感器輸出電平對應電機機械角變化所致，速度更新周期長則是采用大機械角度引起。

因此本系統綜合霍爾信號六倍（60°測速法）速度更新周期快、電機整周測速法計算速度精度高的優點，引入FIFO運行機理，提出一種基于霍爾FIFO測速法研究低速下無刷直流電機的速度。

具體流程：首先硬件系統上電初始化并捕獲三路霍爾傳感器的狀態；其次接收上位機指令并將傳感器新狀態作為時間計數CNT的啟停、速度計算標志，這將測速周期縮小到硬件的最小能力；接著基于FIFO先進先出的思想，將不同時間計數CNT存儲于FIFO中；然后將存儲于FIFO中的計數值求和并獲得對應脈沖差△s；最后采用T法獲得電機轉速并將其輸入速度調節器進行閉環。其軟件執行圖如圖6所示。

圖6 霍爾FIFO 測速法軟件執行圖

3 試驗

3.1 試驗方案

本試驗采用上述自研控制系統，系統中2000數字量對應100%的占空比，試驗電機參數如表1所示。由預試驗可知，5%是該電機在空載條件下保持連續穩定運行的最低占空比，其對應轉速為60r/min。為避免其余控制參數對測速結果的干擾，試驗以5%的占空比開環驅動電機。霍爾位置傳感器作為電機速度計算的脈沖信號，分別采用霍爾信號6倍頻（60°測速法）、霍爾信號720°（720°測速法）和霍爾FIFO（霍爾FIFO測速法）三種手段表征無刷直流電機的速度，研究結果如圖5、表2所示。

表1 無刷直流電機基本參數

3.2 試驗結果

由圖7可知，電機啟動后，霍爾FIFO測速法獲得的電機轉速曲線在起始階段快速變化，隨著時間的增大而逐漸平穩；720°測速法在1100ms后，才開始計算速度，速度值偏差值較小；而60°測速法得到的速度曲線出現震蕩，當電機運行1500ms后，曲線出現周期性變化，該變化是由電機霍爾傳感器的安裝、轉子磁極不一致所引起的。60°測速法和霍爾FIFO測速法速度計算周期相同，相比于720°測速法，速度更新周期短12倍。

圖7 不同測速法下轉速對比

表2是電機運行1500ms后，三種測速方法下的誤差值。由表可知，720°測速法和霍爾FIFO測速法相對誤差分別為0.68%和0%，而60°測速法相對誤差為58.82%；三種轉速表征方式中，720°測速法和霍爾FIFO測速法得到的結果與實測結果基本相同，60°測量結果偏差最大。

表2 不同測速法誤差

4 結語

本文針對無刷直流電機低速表征難題，結合60°和720°測速法各自優勢，引入FIFO理論，提出一種基于霍爾FIFO測速法來獲得低速運行下無刷直流電機的速度。主要研究結論如下：

理論分析了無刷直流電機形位公差對霍爾位置傳感器的影響機理，得到了電機運行一轉，三路位置傳感器電平變化所對應的機械角δ和T不一致，此外，兩脈沖的時間差T和機械角δ以360°機械角周期性地復現；

霍爾FIFO測速法實現了低速下無刷直流電機轉速的有效測量，在實際轉速60r/mim的條件下，測量結果峰峰值、標準差、相對誤差均為0。