人工心臟無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)非導(dǎo)通相端電壓分析

尹成科，談雪丹

(1.蘇州大學(xué)，蘇州 215021； 2.蘇州同心醫(yī)療器械有限公司，江蘇蘇州215125)

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人工心臟無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)非導(dǎo)通相端電壓分析

尹成科1，談雪丹2

(1.蘇州大學(xué)，蘇州 215021； 2.蘇州同心醫(yī)療器械有限公司，江蘇蘇州215125)

人工心臟無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)，通過采集PWM關(guān)閉期間的非導(dǎo)通相端電壓來獲取反電勢(shì)過零點(diǎn)存在一定的局限。以逆變橋上管PWM調(diào)制、下管恒通的控制方法為例，理論分析了非導(dǎo)通相端電壓在PWM導(dǎo)通與關(guān)斷期間的波形，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在PWM關(guān)閉階段，非導(dǎo)通相端電壓會(huì)受到導(dǎo)通相懸空、非導(dǎo)通相嵌位等影響發(fā)生波動(dòng)，反電勢(shì)采集時(shí)需加以注意，避免引起換相故障。

人工心臟；無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；非導(dǎo)通相端電壓

0 引 言

人工心臟作為一種植入式醫(yī)療器械，通過輔助或替代衰弱的心臟實(shí)現(xiàn)泵血功能，是目前一種無(wú)法替代的最終治療手段[1]。作為人工心臟的核心部件之一，電機(jī)的體積和性能對(duì)人工心臟的影響巨大。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱BLDCM)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[2]，在人工心臟領(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)[3]。直接反電勢(shì)法[4-6]采用逆變器上橋臂PWM調(diào)制、下橋臂恒通(H-PWM-L-ON)控制策略，在PWM打開期間，非導(dǎo)通相端電壓為該相繞組反電勢(shì)疊加某偏置電壓，而在PWM關(guān)斷期間，非導(dǎo)通相端電壓近似為該相繞組的反電勢(shì)。因此在PWM打開或關(guān)閉階段采集非導(dǎo)通相端電壓，通過分析可以得到反電勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)。該方法無(wú)需采用額外的位置傳感器，體積小，可得到無(wú)相位滯后的反電勢(shì)過零點(diǎn)信息，相對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)方法，它具有反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)準(zhǔn)確、電機(jī)運(yùn)行高效平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于人工心臟BLDCM使用。

目前直接反電勢(shì)法多數(shù)是基于PWM關(guān)閉時(shí)導(dǎo)通相維持續(xù)流狀態(tài)、非導(dǎo)通相的端電壓平穩(wěn)的假設(shè)。然而人工心臟在輔助天然心臟過程中，會(huì)感受到人體天然心臟搏動(dòng)的沖擊，載荷在輕載到滿載之間變化。人工心臟在輕載或空載運(yùn)行時(shí)，PWM占空比較低，電機(jī)繞組內(nèi)的電流較小，可能會(huì)有PWM關(guān)閉時(shí)導(dǎo)通相續(xù)流結(jié)束的狀態(tài)存在。同時(shí)，非導(dǎo)通相則可能出現(xiàn)因反電勢(shì)幅值變化導(dǎo)致其上下橋臂的二極管導(dǎo)通，產(chǎn)生被嵌位現(xiàn)象。上述現(xiàn)象都會(huì)引起非導(dǎo)通相端電壓產(chǎn)生波動(dòng)，影響反電勢(shì)過零點(diǎn)判斷。為此，本文以人工心臟電機(jī)為應(yīng)用對(duì)象，從理論上分析非導(dǎo)通相端電壓波形變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，PWM關(guān)閉階段，非導(dǎo)通相端電壓會(huì)受到導(dǎo)通相懸空、非導(dǎo)通相嵌位的綜合影響而產(chǎn)生波動(dòng)，在采集非導(dǎo)通相端電壓采集數(shù)據(jù)時(shí)需考慮避開上述波動(dòng)范圍。

1 BLDCM控制系統(tǒng)

人工心臟電機(jī)反電勢(shì)為正弦波，采用三相繞組星形接法，驅(qū)動(dòng)電路采用三相逆變橋結(jié)構(gòu)，控制采用二二導(dǎo)通、三相六狀態(tài)、H-PWM-L-ON的策略，驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)化圖如圖1所示。在運(yùn)行過程中每相繞組導(dǎo)通120°電角度，任意時(shí)刻只有兩相繞組通電，第三相繞組處于非導(dǎo)通狀態(tài)。每一個(gè)PWM周期內(nèi)，電機(jī)控制器只采集一次非導(dǎo)通相端電壓，低占空比時(shí)在PWM關(guān)斷(PWM-OFF)階段采集，高占空比時(shí)在PWM打開(PWM-ON)階段采集。從所采集的非導(dǎo)通相端電壓中提取反電勢(shì)過零點(diǎn)時(shí)刻，指導(dǎo)電機(jī)正確換相。由于換相時(shí)續(xù)流會(huì)導(dǎo)致非導(dǎo)通相端電壓波形異常，通常該階段時(shí)間較短，因此等待此續(xù)流階段結(jié)束，再進(jìn)行反電勢(shì)過零點(diǎn)信息處理?；诖耍疚牟豢紤]換相續(xù)流階段的情形，僅對(duì)非換相續(xù)流階段的非導(dǎo)通相端電壓波形進(jìn)行分析。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)化圖

2 非導(dǎo)通相端電壓分析

假設(shè)圖1中A相與B相通電、C相非導(dǎo)通，對(duì)非導(dǎo)通相C相端電壓展開分析。其中，A相上管為PWM調(diào)制，B相下管恒導(dǎo)通。假設(shè)MOS管導(dǎo)通壓降Vmos相等，電機(jī)繞組參數(shù)相同。

2.1 PWM-ON期間

PWM-ON期間，VT1,VT4導(dǎo)通，C相繞組懸空，如圖2所示。中性點(diǎn)電壓VN與C相端電壓計(jì)算如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

化簡(jiǎn)可得：

(5)

非導(dǎo)通相C相端電壓為中性點(diǎn)電壓與C相反電勢(shì)之和，即：

(6)

圖2 PWM-ON等效電路

2.2PWM-OFF進(jìn)入續(xù)流階段

2.2.1 非導(dǎo)通相懸空

PWM-OFF期間，VT1關(guān)斷，VD2導(dǎo)通進(jìn)行續(xù)流，VT4維持導(dǎo)通。假設(shè)C相懸空，即C相端電壓滿足下式：

(7)

此時(shí)C相的VD5，VD6均截止，如圖 3所示。有：

(8)

(9)

化簡(jiǎn)得：

(10)

(11)

將式(11)代入式(7)得：

(12)

圖3 PWM-OFF續(xù)流期間，非導(dǎo)通相懸空的等效電路

2.2.2非導(dǎo)通相嵌位

VT1關(guān)斷，VD2續(xù)流期間，若C相端電壓不滿足式(7)，VD5或VD6導(dǎo)通，C相端電壓具體如下：

(a) VD6導(dǎo)通

(b) VD5導(dǎo)通

2.3PWM-OFF續(xù)流結(jié)束階段

當(dāng)電機(jī)不帶載或輕載運(yùn)行時(shí)，一個(gè)PWM周期內(nèi)可能出現(xiàn)電流續(xù)流及續(xù)流結(jié)束的狀態(tài)。

2.3.1非導(dǎo)通相懸空

PWM-OFF期間，VT4維持導(dǎo)通，VD2續(xù)流結(jié)束后截止，A相進(jìn)入懸空狀態(tài)。當(dāng)C相端電壓滿足式(7)時(shí)，C相懸空，如圖 5所示，則有：

(13)

如果eB超前于eC120°電角度，則-eB+eC滯后于eC30°電角度，當(dāng)C相端電壓為Vmos時(shí)，已經(jīng)距離C相反電勢(shì)過零點(diǎn)滯后30°，應(yīng)立即換相。

如果eB滯后于eC120°電角度，則-eB+eC超前于eC30°電角度，當(dāng)C相端電壓為Vmos時(shí)，理論上需延遲60°換相。

圖5 PWM-OFF續(xù)流結(jié)束，非導(dǎo)通相懸空的等效電路

2.3.2 非導(dǎo)通相嵌位

PWM-OFF期間，A相續(xù)流結(jié)束后，若C相端電壓不滿足式(7)時(shí)，C相端電壓將被嵌位。

1) 當(dāng)VC≤-VD時(shí)，VD6導(dǎo)通，C相端電壓被嵌位至-VD，如圖 6(a)所示。

2) 當(dāng)VC≥VS+VD時(shí)，VD5導(dǎo)通，C相端電壓被嵌位至VS+VD，如圖 6(b)所示。

(a) VD6導(dǎo)通

(b) VD5導(dǎo)通

由上文分析可知，PWM-OFF期間，當(dāng)非導(dǎo)通相C相端電壓被嵌位至-VD或者被嵌位至VS+VD時(shí)，無(wú)論導(dǎo)通相是否處于續(xù)流狀態(tài)，C相反電勢(shì)均不會(huì)出現(xiàn)過零點(diǎn)。當(dāng)非導(dǎo)通相懸空時(shí)，則必須區(qū)分導(dǎo)通相是否續(xù)流，來選擇式(12)或者式(13)作為過零判斷依據(jù)。人工心臟電機(jī)采用轉(zhuǎn)速環(huán)控制，當(dāng)電機(jī)輸出PWM值為一個(gè)較小值時(shí)，如果載荷大，則實(shí)際轉(zhuǎn)速低，反電勢(shì)小，續(xù)流時(shí)間較長(zhǎng)；如果載荷小，則實(shí)際轉(zhuǎn)速高，反電勢(shì)大，續(xù)流時(shí)間較短。因此，僅依據(jù)電機(jī)PWM輸出值，無(wú)法精確獲悉續(xù)流狀態(tài)以及確定合適的PWM-OFF采樣時(shí)刻?？梢詫WM值與電機(jī)轉(zhuǎn)速相結(jié)合，僅在電機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速并且輸出低PWM值時(shí)，采用PWM-OFF采集模式，采樣時(shí)刻與PWM關(guān)閉時(shí)刻之間的時(shí)間間隔略大于電機(jī)MOS管的關(guān)斷時(shí)間，以保證在導(dǎo)通相續(xù)流時(shí)采樣，并依據(jù)式(12)進(jìn)行反電勢(shì)過零判斷；其余情況均采用PWM-ON采集模式。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文對(duì)電機(jī)非導(dǎo)通相端電壓的分析，進(jìn)行人工心臟電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)。電機(jī)母線電壓20V，PWM頻率31.25kHz。設(shè)置PWM占空比輸出為12.5%，C相端電壓與C相相電流在一個(gè)電周期內(nèi)的波形如圖 7所示。圖中①、⑥為C相下管打開階段，③、④為C相上管打開階段，②、⑤為C相非導(dǎo)通階段。圖 7顯示，在C相非導(dǎo)通階段②、⑤期間內(nèi)，因受其他相影響，C相續(xù)流二極管導(dǎo)通，C相被嵌位，導(dǎo)致C相電流非零。

圖7 一個(gè)電周期內(nèi)，C相端電壓與C相相電流

圖 8顯示了A相端電壓先于C相端電壓結(jié)束續(xù)流的情形。其中A相上管PWM調(diào)制，C相非導(dǎo)通。圖8中a為A相續(xù)流階段，c為A相懸空階段；b為C相續(xù)流階段，此期間C相相電流非零；d為C相懸空階段，此期間C相相電流為零?？梢钥闯鯝相先于C相結(jié)束續(xù)流。由于MOS管存在寄生電容[7]，a階段期間，與A相下管的二極管并聯(lián)的寄生電容將充電；當(dāng)a結(jié)束至c階段開始，該寄生電容開始放電直至A相繞組懸空為止，期間A相端電壓隨著寄生電容放電而有所波動(dòng)。同樣，b階段期間，C相下管的二極管導(dǎo)通，同時(shí)給其并聯(lián)的寄生電容進(jìn)行充電；在b結(jié)束至d階段開始之前，該寄生電容放電直至C相繞組懸空，期間C相端電壓有波動(dòng)，C相相電流非零。

圖8 A相先于C相結(jié)束續(xù)流，A相端電壓、C相端電壓與C相相電流

圖 9為C相端電壓先于A相端電壓結(jié)束續(xù)流的情形。其中A相上管PWM調(diào)制，C相非導(dǎo)通。圖中a為A相續(xù)流階段，c為A相懸空階段；b為C相續(xù)流階段，此期間C相相電流非零；d為C相理論懸空階段，但是由于在此期間A相端電壓經(jīng)歷續(xù)流結(jié)束、寄生電容放電，導(dǎo)致中性點(diǎn)電壓波動(dòng)，從而使得C相寄生電容進(jìn)行充放電，其電流產(chǎn)生波動(dòng)，且超前于C相端電壓的波動(dòng)。當(dāng)C相寄生電容完成充放電后，C相繞組懸空，且相電流為零。

圖9 C相先于A相結(jié)束續(xù)流，A相端電壓、C相端電壓與C相相電流

由圖 8、圖 9可知，受導(dǎo)通相續(xù)流的影響，非導(dǎo)通相在PWM-OFF期間波形復(fù)雜，PWM-OFF采集時(shí)應(yīng)避開波動(dòng)區(qū)域?？紤]到控制策略的一致性，根據(jù)式(6)、式(12)，可以結(jié)合轉(zhuǎn)速信息、PWM值以及硬件電路特性，設(shè)置成PWM-OFF期間在導(dǎo)通相續(xù)流期間進(jìn)行反電勢(shì)采集，使得在PWM-OFF采集模式與PWM-ON采集模式之間切換時(shí)，電機(jī)控制器只需調(diào)整采樣時(shí)刻與反電勢(shì)比較閾值，而維持反電勢(shì)過零后延時(shí)30°換相處理不變。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了人工心臟電機(jī)在不同階段下非導(dǎo)通相端電壓與反電勢(shì)的關(guān)系，給出采集非導(dǎo)通相端電壓的部分策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明人工心臟電機(jī)在空載運(yùn)行情況下，PWM-OFF期間存在導(dǎo)通相懸空或非導(dǎo)通相嵌位的現(xiàn)象，給非導(dǎo)通相端電壓帶來擾動(dòng)，增加了直接反電勢(shì)法檢測(cè)PWM-OFF過零點(diǎn)的難度，處理時(shí)必須結(jié)合導(dǎo)通相續(xù)流情況，避免誤判反電勢(shì)過零點(diǎn)。

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[3] 呂燚,李文生.基于反電勢(shì)直接檢測(cè)法的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)[J].微特電機(jī),2012,40(6):42-45.

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[7] 周群.基于ST7MC反電勢(shì)過零檢測(cè)的電壓暫態(tài)分析及方案改進(jìn)[J]. 微電機(jī), 2008,41(8):73-75.

Study on Floating Phase Terminal Voltage in Sensorless Brushless DC Motor of Artificial Heart

YIN Cheng-ke1, TAN Xue-dan2

(1.Soochow University,Suzhou 215021,China; 2.CH Biomedical Incorporation, Suzhou 215125,China)

When the sensorless brushless DC motor (BLDCM) of artificial heart is underloaded, there are some limitations in getting back electro-magnetic force (EMF) from the floating phase terminal voltage during the PWM off time. With PWM strategy of upper bridge arm chopping only, the terminal voltage of the floating phase during the PWM on time and the PWM off time was analyzed. The experiments show that, non-excited phase terminal winding voltage is sensitive to both its own diode-clamped states and the floating state of excited phase during the PWM off time. The above states should be taken into account to achieve good commutation performance.

artificial heart; sensorless brushless DC motor; floating phase terminal voltage

2015-12-09

國(guó)家青年自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51407123)；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(15KJB310020)；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(國(guó)家級(jí))(201410285035Z)

TM33

A

1004-7018(2016)03-0003-04

尹成科(1980-)，男，博士，講師，研究方向?yàn)槊嫦蛑踩胧结t(yī)療器械的無(wú)線電能傳輸、人工心臟磁懸浮與電機(jī)控制。