基于反電勢(shì)直接檢測(cè)法的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

呂 燚，李文生

(電子科技大學(xué)，廣東中山528402)

0 引 言

無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM用電子換相代替了電刷和換向器，具有直流電動(dòng)機(jī)良好的調(diào)速性能，但又沒有機(jī)械換向器的不足，高速性能、工作壽命以及可靠性大大提升，在工業(yè)、醫(yī)療以及辦公自動(dòng)化等領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛。BLDCM電子換相是否精準(zhǔn)直接影響電機(jī)的性能，電子換相的依據(jù)是轉(zhuǎn)子位置是否過零點(diǎn)。目前檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的方法有兩種:一種是通過在轉(zhuǎn)子上加裝霍爾傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，加裝霍爾傳感器會(huì)帶來成本上升、小型電機(jī)加工難度大等弊端，此外傳感器自身對(duì)溫度比較敏感，也大大限制其應(yīng)用場(chǎng)合;另一種檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法無需位置傳感器，包括反電勢(shì)法、電感法、狀態(tài)觀測(cè)器法、磁鏈計(jì)算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等幾大類。實(shí)際工程中，反電勢(shì)法由于其計(jì)算量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用最為廣泛。

BLDCM通過PWM信號(hào)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，伴隨著功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷，在空閑繞組反電勢(shì)上存在大量的高頻噪聲信號(hào)，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是采用模擬低通濾波器濾掉高頻噪聲，然后與零點(diǎn)電壓比較來確定換向時(shí)刻。模擬濾波器由于會(huì)帶來一定的相位滯后，而且該相位滯后量既與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與電機(jī)的機(jī)械特性相關(guān)，因而無法通過軟件精確補(bǔ)償，導(dǎo)致?lián)Q向時(shí)刻檢測(cè)不精準(zhǔn)，電機(jī)運(yùn)行效率低，尤其不適合高速運(yùn)行的場(chǎng)合。本文采用了直接反電勢(shì)檢測(cè)的方法，無需低通濾波器，相對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)方法具有換向準(zhǔn)確，電機(jī)運(yùn)行高效平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，適合高速運(yùn)行場(chǎng)合。

如何簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行直接檢測(cè)，很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［1－2］提出了在PWM導(dǎo)通期間測(cè)量，但是仍然重構(gòu)了電機(jī)中心點(diǎn)，為了濾除中心點(diǎn)的開關(guān)噪聲采用了模擬濾波器，相位滯后無法避免，也無法進(jìn)行軟件補(bǔ)償;文獻(xiàn)［3－4］中電路只能在PWM關(guān)斷期間起作用，這使得PWM的占空比必須被限制在一定范圍內(nèi);文獻(xiàn)［5］中采用在PWM ON期間采集反電勢(shì)的方法，但由于占空比較低時(shí)大部分時(shí)間無法檢測(cè)反電勢(shì)，直接過零檢測(cè)誤差較大，該系統(tǒng)采用硬件比較器判別過零點(diǎn)，因而也無法有效地補(bǔ)償檢測(cè)誤差。

1 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，三相逆變電路上下橋臂都為NMOS管的結(jié)構(gòu)，電機(jī)工作電壓36 V，通過電荷泵升壓得到48 V作為上橋臂NMOS柵極驅(qū)動(dòng)電壓;系統(tǒng)控制核心采用嵌入式處理器 STM32F103RBT6，工作主頻 72 MHz，其 ADC采樣率達(dá)到1 MSPS;采用TIM1輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)三相逆變電路，利用處理器的片內(nèi)高速ADC采集各相繞組反電勢(shì)，并通過軟件對(duì)過零檢測(cè)誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的精確換相、轉(zhuǎn)速計(jì)算以及閉環(huán)速度控制等功能。

圖1 BLDCM控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

BLDCM的三相繞組采用星形接法，運(yùn)行過程中每相繞組導(dǎo)通120°電角度，同一時(shí)刻只有兩相繞組通電，另一相空閑，呈現(xiàn)梯形波反電勢(shì)和方波電流的特征，其理想波形如圖2所示。為產(chǎn)生恒定、平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩，換相動(dòng)作必須和轉(zhuǎn)子位置保持一致，外在特征表現(xiàn)為方波電流應(yīng)和梯形波反電勢(shì)相位保持一致，位于梯形波反電動(dòng)勢(shì)的平頂寬度范圍內(nèi)。直接反電勢(shì)檢測(cè)法是通過檢測(cè)空閑繞組反電勢(shì)，判別其過零時(shí)刻，然后再延時(shí)30°電角度后進(jìn)行換相。

圖2 BLDCM繞組反電勢(shì)及電流波形圖

2 直接反電勢(shì)檢測(cè)原理

圖3為BLDCM控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型圖。T1和T4柵極同時(shí)進(jìn)行PWM調(diào)制，PWM ON期間，A、B兩相繞組得電，PWM OFF期間，T2和T3的續(xù)流二極管續(xù)流導(dǎo)通，C相為空閑繞組。在PWM ON期間，由T1、T4、A、B 相繞組回路可得:

圖3 BLDCM控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型圖

假設(shè)MOS管導(dǎo)通壓降相等，記作UT，電機(jī)繞組的電阻和電感相等，分別記作R和L，可得:

對(duì)繞組A可得:

忽略電機(jī)氣隙的變化，可以近似認(rèn)為:當(dāng)T1、T4導(dǎo)通時(shí)，ea=－eb=E，由式(2)和式(3)可得:

PWM ON期間，C相空閑繞組無電流，其端電壓:

由圖2可知，在T1、T4的調(diào)制周期內(nèi)，C相的反電勢(shì)ec逐漸減小，在UC減小過程中當(dāng)與UN相等的時(shí)刻便是電機(jī)過零時(shí)刻，然后在此基礎(chǔ)上延時(shí)30°電角度便可執(zhí)行換相。

導(dǎo)通繞組采用PWM方式調(diào)制，因而空閑繞組反電勢(shì)呈現(xiàn)如圖4所示的波形。如果空閑繞組的反電勢(shì)只能在PWM ON期間檢測(cè)，圖4的第一種情況，反電勢(shì)過零的時(shí)候剛好落在PWM ON期間內(nèi)，此時(shí)通過硬件比較電路便可以準(zhǔn)確檢測(cè)到過零時(shí)刻;但如果是圖4的第二種情況，反電勢(shì)過零發(fā)生在PWM OFF期間，等到下一次PWM ON時(shí)反電勢(shì)已經(jīng)低于，再通過硬件比較電路判別反電勢(shì)過零點(diǎn)，則與實(shí)際過零點(diǎn)存在較大偏差。理論上可以通過提高PWM信號(hào)的頻率來降低上述誤差，但是實(shí)際應(yīng)用中PWM信號(hào)的頻率往往受到驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)能力、MOS管柵極電容以及MOS管功耗等因素的限制。本文提出的直接反電勢(shì)檢測(cè)方法綜合運(yùn)用處理器片內(nèi)的ADC、定時(shí)器和DMA，在PWM ON期間采用DMA的方式快速獲取反電勢(shì)電壓的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果和每次AD采集的時(shí)間，采用ADC的模擬看門狗功能監(jiān)控反電勢(shì)何時(shí)穿越，然后在中斷服務(wù)程序中根據(jù)AD采集結(jié)果和采集時(shí)間擬合得出準(zhǔn)確的過零時(shí)刻，并對(duì)過零后的30°電角度進(jìn)行修正，從而大大減小了只在PWM ON期間檢測(cè)反電勢(shì)而造成的過零檢測(cè)誤差，提高了換向精度。

圖4 空閑繞組反電勢(shì)過零點(diǎn)示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 直接反電勢(shì)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方法

本系統(tǒng)采用STM32處理器的TIM1產(chǎn)生PWM信號(hào)，TIM2用于觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，TIM1和TIM2工作在主從門控模式，TIM1的OC1REF信號(hào)與PWM信號(hào)相位相同，在CPU內(nèi)部將OC1REF配置為TIM2的門控信號(hào)，當(dāng)OC1REF為高電平，即PWM ON期間TIM2才工作。TIM2工作在比較匹配翻轉(zhuǎn)模式，用TIM2的比較匹配信號(hào)作為ADC的起動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，如圖5所示，TIM2的比較寄存器值較小，從而在PWM ON期間實(shí)現(xiàn)了多次反電勢(shì)電壓AD采集。本系統(tǒng)中STM32處理器的ADC采樣率配置為1MSPS，完成一次AD轉(zhuǎn)換僅需1 μs。本系統(tǒng)利用ADC轉(zhuǎn)換完成信號(hào)自動(dòng)觸發(fā)兩個(gè)通道的DMA傳輸，一個(gè)通道記錄ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，另一個(gè)通道記錄當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)鐘(systick)計(jì)數(shù)值，作為AD轉(zhuǎn)換完成時(shí)刻。

圖5 直接反電勢(shì)檢測(cè)方法示意圖

ADC看門狗用于監(jiān)測(cè)AD轉(zhuǎn)換結(jié)果是否穿越U/2，當(dāng)發(fā)生ADC看門狗中斷，則在中斷服務(wù)程序中查找U/2電壓前后兩次的轉(zhuǎn)換結(jié)果，記作V1ADC和V2ADC，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換時(shí)刻值記作t1和t2，則過零點(diǎn)發(fā)生時(shí)systick計(jì)數(shù)值

式中:VNADC為對(duì)應(yīng)的AD值，t為擬合后的過零時(shí)刻。前后兩次過零時(shí)刻的差值便是60°電角度對(duì)應(yīng)的時(shí)間，除以2得到30°電角度對(duì)應(yīng)的時(shí)間，從而t后延時(shí)30°電角度便可再次執(zhí)行換向動(dòng)作。

3.2 電機(jī)閉環(huán)換相運(yùn)行過程

實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，電機(jī)換相后的瞬間相電壓會(huì)出現(xiàn)一個(gè)反向的脈沖，本設(shè)計(jì)中換相后延時(shí)20 μs再進(jìn)行ADC采集，防止反向脈沖造成誤觸發(fā)。點(diǎn)擊閉環(huán)換相運(yùn)行狀態(tài)的工作流程，如圖6所示，換相之后，立刻記錄當(dāng)前定時(shí)器的值CounterTime，然后修改定時(shí)器的比較匹配寄存器的值為CounterTime+20 μs對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器值;于此同時(shí)，在這段延遲時(shí)間內(nèi)處理器完成ADC看門狗(AWD)和DMA的配置。延遲時(shí)間結(jié)束后，在比較匹配中斷中起動(dòng)觸發(fā)定時(shí)器TIM2、AWD和DMA，隨后在PWM ON期間觸發(fā)定時(shí)器會(huì)多次觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，并通過DMA自動(dòng)記錄轉(zhuǎn)換結(jié)果和轉(zhuǎn)換時(shí)刻，當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果穿越中點(diǎn)電壓時(shí)，進(jìn)入AWD中斷，在中斷服務(wù)程序中取出DMA緩沖區(qū)中記錄的中斷發(fā)生前兩次的電壓值和時(shí)刻值，利用式(5)便可以計(jì)算出過零發(fā)生的時(shí)刻Tcross，兩次過零的間隙時(shí)間除以2便是30°電角度時(shí)間T30，將定時(shí)器比較匹配寄存器配置為Tcross+T30，則下次比較匹配中斷時(shí)刻再次進(jìn)行換相。

圖6 BLCDM閉環(huán)換相運(yùn)行流程圖

3.3 BLDCM起動(dòng)策略

對(duì)于有位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或者靜止情況下都可以通過微控制器的捕獲單元接口，來獲取傳感器信號(hào)進(jìn)而判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，為逆變電路控制邏輯提供正確的換相信息，從而順利實(shí)現(xiàn)電機(jī)的起動(dòng)過程。但是對(duì)于通過檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)來判斷換相時(shí)刻的無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)而言，由于靜止或低速時(shí)電機(jī)，沒有反電動(dòng)勢(shì)或是信號(hào)非常微弱，無法直接測(cè)量反電勢(shì)，因此電機(jī)起動(dòng)過程需要強(qiáng)制換相使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到某一轉(zhuǎn)速后，反電勢(shì)信號(hào)足夠大，依此來檢測(cè)過零信號(hào)，并進(jìn)入基于反電勢(shì)檢測(cè)的閉環(huán)換相狀態(tài)。

本系統(tǒng)中首先對(duì)T1和T4導(dǎo)通200 ms，AB相得電并維持一段時(shí)間實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)子定位，然后按照電機(jī)的換相順序周期性的強(qiáng)制換相，并且不斷縮短換相周期，使電機(jī)加速運(yùn)行，經(jīng)過若干個(gè)換相周期后，電機(jī)具有一定的轉(zhuǎn)速，然后關(guān)閉所有MOSFET，電機(jī)自由運(yùn)行，于此同時(shí)立即起動(dòng)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到第一次過零信號(hào)后，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，檢測(cè)到第二次過零信號(hào)后，定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，此段時(shí)間便是60°電角度對(duì)應(yīng)的時(shí)間，然后以第二次過零信號(hào)為起始，延時(shí)30°電角度便是下一次換相時(shí)刻，從而電機(jī)進(jìn)入閉環(huán)換相運(yùn)行狀態(tài)，完成了電機(jī)的起動(dòng)過程。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和結(jié)論

電機(jī)起動(dòng)過程中A相電壓波形如圖7(a)所示，一開始為強(qiáng)制換相運(yùn)行，達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后電機(jī)自由旋轉(zhuǎn)并檢測(cè)反電勢(shì)，隨后切入到閉環(huán)換相運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)入閉環(huán)換相運(yùn)行后，換相動(dòng)作按照電機(jī)反電勢(shì)，也即轉(zhuǎn)子位置來切換，在同樣轉(zhuǎn)速的情況下電流消耗和噪聲都明顯減小，圖7(b)為電機(jī)閉環(huán)運(yùn)行過程中A、B相的電壓波形。

圖7 電壓波形

本文提出一種新穎的BLDCM直接反電勢(shì)檢測(cè)方法，該方法無需重構(gòu)電機(jī)中性點(diǎn)，無需對(duì)反電勢(shì)進(jìn)行信號(hào)濾波，無相位滯后的弊端，對(duì)高頻開關(guān)噪聲不敏感;其次本方法采用在PWM ON期間對(duì)反電勢(shì)檢測(cè)，并通過軟件手段對(duì)檢測(cè)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，彌補(bǔ)了PWM占空比較低時(shí)檢測(cè)精度較低的不足，勝任高速運(yùn)行的場(chǎng)合。實(shí)踐證明，該反電勢(shì)檢測(cè)方法可以在較寬的速度范圍內(nèi)良好地工作，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］楊光，李醒飛.無刷直流電機(jī)反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置研究［J］.電力電子技術(shù)，2008(10):18 －19，30.

［2］李自成，程善美，秦實(shí)宏，等.無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37(8):39－41.

［3］Shao Jianwen，Nolan D，Hopkins T.A novel direct back EMF detection for sensorless brushless DC(BLDC)motor drives［C］//APEC＇02 Dallas，USA IEEE Press，2002:33 －38.

［4］Shao Jianwen，Nolan D，Hopkins T.Improved direct back EMF detection for sensorless brushless DC(BLDC)motor drives［C］//APEC＇03 Florida，USA:IEEE Press，2003:300 －305.

［5］張磊，肖偉，瞿文.龍直接檢測(cè)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的方法［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，46(4):453 －456.