無刷直流電機無位置傳感器的優化控制方法

鐘海峰，吳宇

（江西理工大學 電氣工程與自動化學院，江西贛州，341000）

0 引言

近年來，無刷直流電機以其效率利用率高，環保性好，調速性能優異等，得到了越來越廣泛的應用。無刷直流電動機的換相是電子控制的，其主要核心是其安裝的位置傳感器，根據位置傳感器的準確性和使用壽命，外界環境等客觀因素的影響會導致電機的成本和性能的波動。故其無位置傳感器逐漸成為熱點的研究話題之一。本文著重于無刷電機過反電動勢零點問題和衍生出的換相啟動問題進行分析，優化無位置傳感器控制方法，簡化剔除了濾波，模擬/ 數字轉換器采樣端電壓等操作，以達到換相精準，穩定性好，簡單迅速等目標。

1 原理分析

1.1 無刷直流電機原理

無刷直流電動機的控制框圖如圖1所示，由霍爾位置傳感器信號，功率開關單元信號和控制單元組成。功率開關單元將電源的功率以一定邏輯關系分配給無刷直流電機的定子各相繞組，使電動機產生持續不斷地轉矩，而功率開關單元的導通和其導通時間控制由霍爾傳感器的信號來決定。此處將無刷直流電動機假設為星型接法，采用的是兩兩導通工作方式，每只開關管導通120°電角度，每隔60°電角度就有一個開關管關斷，定一個開關管導通，即工作過程中一定有一個橋臂上的兩個開關管燈關斷，另外兩個橋臂的上下橋臂只有一個開關管導通，同時不考慮集膚，磁滯效應等影響。其控制框圖如圖1所示。

由相電壓，相電流，反電動勢和各繞組的自感互感關系，可以從無刷電機關斷一相的端電壓波來獲取反電動勢過零點等信息。根據文獻[2]和圖1可知各相端電壓表達式：

其中Ua、Ub、Uc為電機的三相定子繞組的各端電壓；L=Ls-Lm(Ls為電機定子繞組自感，Lm為電機定子繞組互感) ；ia、ib、ic分別為電機的三相定子相電流；ea、eb、ec為電機三相繞組反電動勢；Un為電機實際的中性點電位。

1.2 反電動勢過零分析

系統運行時，假設B相上橋臂導通，C相下橋臂導通，A相處于斷開狀態。則有BC相通電，由(1)式可知此時的ABC三相端電壓關系變化為式(2)：

此時為BC通電，就兩者反電動勢和電流之間的關系：

綜上(1)、(2)、(3)、(4)可得：

其實此時B相上橋臂在PWM ON時，圖1的VT3和VT2導通使Ub和Ud相同(Ud為端電壓幅值)，而Uc為0，則也會有：

此時把式(5)代入式(2)中有：

以上式(6)和式(7)關系可知：在A相反電動勢的為零時，則此時的端電壓波形幅值正好為Ud/2 。

所以由此原理可以推斷出，在兩兩導通的模式下將中性點電壓與未導通相的端電壓對比可以確定反電動勢的零點，因為此時中心點的電壓Un就為Ud/2 。

但是實際的中心點在電機結構內部，無法通過物理手段將其引出，所以我們需要在外部設計硬件電路模擬中性點，再將此模擬的中性點與檢查反電動勢做對比即可。故采用重構中性點方法來模擬，根據圖2運用疊加定理和結合式(1)可知重構中心點電壓為：

圖2 重構中性點

其中xe為關斷的X相對應的反電動勢。

則可推測關斷電壓的表達式：

由(8)和(9)兩個式子可知，Ux＜0的時候，Usum＞而反電動勢檢測電路輸出低電平，而當Ux＞0時，反電動勢檢測電路，輸出為高電平，完成一個電平跳變。故用比較器檢測反電動勢檢測電路的輸出跳變就可以確定反電動勢過零點的時刻。圖3為設計的反電動勢檢測電路。圖4 為反電動勢和各相比較器輸出關系。

圖3 反電動勢過零點檢測電路

圖4 反電動勢和各相比較器輸出關系

1.3 電機啟動分析

以上分析可知能通過反電動勢過零點信號來進行換相點的標記，從而進行換相，一般采用三步法啟動，但是三步法啟動電機時有轉速脈動大等缺點。本文給出最多通過兩個導通狀態就能檢測過零點信號，從而快速啟動的方法，解決此問題。下面進行舉例說明：

此時轉子的位置如圖5所示，通入電子的電流為B相流入C相流出，則產生的磁動勢F1將會促使轉子向圖6位置方向移動，但是此過程中在A相檢測不出反電動勢過零點信號，此時磁動勢F1帶動不了轉子轉動。

圖5 轉子位置1

而此時可以改變定子電流流通相序，即將定子電流從C相流入，A相流出，其產生的磁動勢F2如圖6所示，此時檢測B相上反電動勢過零點信號，剛到達圖7位置時則B相反電動勢過零點信號跳變，則在延時30°電角度作為換相點進行換相，從而可以快速啟動電機。

圖6 轉子位置2

圖7 轉子位置3

而當轉子位置如圖8時，此時定子電流是由B相流入，C相流出，所產生的磁動勢F3會帶轉子經過虛線位置，而經過此位置時，會檢測到A相的反電動勢的跳變，即可確定其反電動勢過零點，經過一次導通檢測，就確定了轉子位置就能正常啟動了。

圖8 轉子位置4

結合兩種情況可知，最多通過兩個導通狀態就能確定反電動勢過零點，可以確定轉子位置，從而能夠快速地啟動電機。

2 實驗平臺搭建

具體的實驗平臺搭建如圖9所示，包括開關電源，無刷直流電機驅動電路，反電動勢過零點檢測電路，被控對象無刷直流電機，還有測相應波形的示波器。其中驅動電路所用的主控芯片是STM32F103C8T6型號的單片機；比較器所用的型號為LM324，此比較器可以進行真正意義上的差分輸入，可以在3.0～32V的工作電壓下運行，檢測反電動勢過零點信號；選用的無刷直流電機極對數為2，額定功率為35W，額定電壓24V，額定轉速2500r/min。

圖9 實驗平臺

3 實驗結果分析

3.1 原理驗證分析

圖10 實物波形圖

圖11 仿真波形圖

再觀察比較器在PWM通道上輸出的電平和用霍爾傳感器測試的A相輸出電平，比較可知，霍爾傳感器發出的換相信號和電動勢過零點信號延遲30度后完全重合，即說明此控制方法的可行性，從而實現無位置控制。

3.2 實踐效果分析

圖12和圖13為有位置傳感器和無位置傳感器兩種控制方式下的速度波形，程序中采用了自抗擾控制（ADRC）代替了傳統的PID控制，使得控制更加精準，信號識別能力更強，抗干擾能力更優。

圖12為無位置傳感器控制方式在ADRC方式下的速度波形，于0.85s時反饋速度就達到給定速度要求。對比兩圖可知，兩種控制方式都具有上升過程穩定，超調量十分小等優點，均能滿足快速平穩達到給定速度并穩定保持的要求。

圖12 無位置傳感器的轉速波形

圖13為有位置傳感器控制方式在ADRC方式下的速度波形，于0.7s時反饋速度就達到給定速度要求。

圖13 有位置傳感器控制的轉速波形

對比兩圖可知，兩種控制方式都具有上升過程穩定，超調量十分小等優點，均能滿足快速平穩達到給定速度并穩定保持的要求。

4 總結

本文通過未導通相端電壓和中性點電壓進行比較，取比較輸出的跳變處為反電動勢過零點信號，在延遲30°電角度確定換相點，從而進行換相操作。同時也設計了最多通過兩個導通狀態就能快速啟動電機的方法。最后驗證了原理推導的正確性，配合ADRC測試比較了有無位置傳感器電機運行的各自狀態。實踐分析證明了：此方法不用考慮濾波電路和換相檢測精度等問題，無需額外供電，節約了成本，性能也更強大。