無傳感器直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計及控制策略

管志旺

摘要：文章通過對無刷直流電機(jī)繞組反電動勢波形進(jìn)行分析，結(jié)合三相全波六狀態(tài)工作方式位置傳感器時序推導(dǎo)，設(shè)計一款基于MCS51單片機(jī)的無位置傳感器直流無刷電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)，給出了較優(yōu)的啟動控制策略。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，方案應(yīng)用到高壓電機(jī)和低壓電機(jī)上啟動和運(yùn)行狀態(tài)都良好，系統(tǒng)的啟動成功率不低于99%，啟動和運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速性能好。

關(guān)鍵詞：無傳感器無刷直流電機(jī)；反電動勢；驅(qū)動控制；啟動控制；MCS51單片機(jī) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM36 文章編號：1009-2374（2017）07-0013-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.006

1 概述

電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息的檢測是無位置傳感器直流無刷電機(jī)控制的一個關(guān)鍵點(diǎn)，檢測無位置傳感器的直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息的方法有很多，使用反電動勢過零法是其中較常用的一種，這種檢測方法具有線路簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但存在一個硬件無法克服的缺點(diǎn)：在電機(jī)轉(zhuǎn)動前及啟動之初轉(zhuǎn)速較低時反電勢無法檢測，只能用軟件的方法進(jìn)行處理。運(yùn)行過程中在任何時刻電動機(jī)三相繞組只有兩相導(dǎo)通，且每相繞組正反向各導(dǎo)通120°電角度，通過測量三相繞組端子及中性點(diǎn)相對于直流母線負(fù)端（或正端）的電位，當(dāng)某端點(diǎn)電位與中性點(diǎn)電位相等時，則此時刻該相繞組反電動勢過零，再過30°電角度就必須對功率器件進(jìn)行換相，據(jù)此設(shè)計過零檢測及移相（或定時）電路，從而得到全橋驅(qū)動6個功率器件的開關(guān)順序。此法的第一關(guān)鍵點(diǎn)是由硬件獲得實(shí)時的反電動勢過零點(diǎn)，第二關(guān)鍵點(diǎn)是由軟件估算30°電角度的時延。在實(shí)際應(yīng)用中，由于各種因素會導(dǎo)致所獲得的反電動勢過零點(diǎn)并不“實(shí)時”，估算的30°電角度會隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化出現(xiàn)超前或滯后，可能會導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行不

順暢。

2 設(shè)計原理分析

2.1 反電動勢推導(dǎo)

2.3 反電動勢過零點(diǎn)及換相點(diǎn)分析

反電動勢過“0”點(diǎn)及換相點(diǎn)示意圖如圖3所示，用BA表示電流從Lb相繞組流入，從La相繞組流出；G3G4表示Lb相上橋臂和La相下橋臂的2個功率開關(guān)導(dǎo)通。過零點(diǎn)檢測波形表示反電動勢過零點(diǎn)和換相點(diǎn)，其中Z為反電動勢過零點(diǎn)、C為換相點(diǎn)。反電勢過零點(diǎn)和換相點(diǎn)均勻分布，彼此間隔30°電角度。

2.4 反電動勢過零點(diǎn)延遲90°電角度

把La、Lb、Lc三相（對應(yīng)簡稱為A、B、C相）的反電動勢過零點(diǎn)獨(dú)立分離開來，如圖4所示的反電動勢即時輸出波形，對應(yīng)于圖3中的Z1至Z6過零點(diǎn)，其中A相的是Z2和Z5，B相的是Z3和Z6，C相的是Z1和Z4。

把圖4中A、B、C三相的反電動勢輸出波形往右移動90°電角度（30°+60°），得到圖5所示波形。

圖6是三相全波六狀態(tài)工作方式位置傳感器時序圖，通過對圖5和圖6的對照比較不難發(fā)現(xiàn)：圖6中的HA、HB、HC的波形分別與圖5中的B、C、A的波形對應(yīng)，也就是說經(jīng)過移相90°電角度的三相反電動勢波形，再相應(yīng)調(diào)節(jié)相序后便可像有位置傳感器直流無刷電機(jī)一樣直接作為轉(zhuǎn)子的位置信息來驅(qū)動電機(jī)。

3 過零檢測硬件設(shè)計

3.1 電路設(shè)計依據(jù)

當(dāng)PWM關(guān)斷期間，式（5）、式（6）、式（7）中Un約等于0，則懸空相所取得的端電壓則可看作是該相反電動勢。當(dāng)PWM導(dǎo)通期間，式（5）、式（6）、式（7）中Un約等于主電壓的一半，如果相端通過電容隔直獲取電壓端電壓，則懸空相所取得的端電壓則可看作是該相反電動勢。

3.2 硬件電路設(shè)計

反電動勢過零檢測電路如圖7所示，首先端電壓經(jīng)過電阻串聯(lián)分壓把較高的端電壓調(diào)小，同時用電阻電容濾波及移相，C1、C2、C3又具有隔直作用，其中為使在較低頻率下也能達(dá)到非常接近90°電角度的相移，電容C1至C6的容量都盡可能選用大點(diǎn)的，但又不能太大，通常用4.7～10uF。圖中由R2、R3、R4重構(gòu)出移相后的反電動勢中點(diǎn)電壓，移相后的各相反電動勢與該中點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，輸出相應(yīng)的反電動勢過零檢測波形，也就是電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息。

相鄰兩相的恒零相移端電壓送到比較器后，比較器比較的是兩相端電壓，實(shí)質(zhì)上就是檢測線電壓的過零點(diǎn)。這個過零點(diǎn)正好對應(yīng)電機(jī)的換相點(diǎn)，因此比較器輸出的換相信號與霍爾傳感器輸出的換相信號完全一致。

3.3 測試結(jié)果

在有傳感器無刷直流電機(jī)中接入圖7所示電路制作的反電動勢過零檢測電路，測試各輸出端與電機(jī)轉(zhuǎn)子相應(yīng)位置傳感器（霍爾）信號波形，如圖8、圖9所示。

圖中通道2的波形為反電動勢過零檢測電路輸出的波形，通道1的波形為霍爾傳感器輸出的的波形，圖8所示頻率為122.942Hz，即電機(jī)轉(zhuǎn)速約為3690轉(zhuǎn)/分（試驗(yàn)電機(jī)磁極對數(shù)為2）的測量情況；圖9所示頻率為404.525Hz，即電機(jī)轉(zhuǎn)速約為12135轉(zhuǎn)/分的測量情況。據(jù)此可以看出，比較器輸出的反電動勢過零檢測信號與霍爾傳感器輸出的信號大體一致。

4 電機(jī)啟動及運(yùn)行策略

電機(jī)常用的“三段式”啟動，即“轉(zhuǎn)子定位”、“變頻加速”和“狀態(tài)切換”，其中第二、三步跟電機(jī)的自身特性、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、外施電壓、加速曲線等密切相關(guān)，若方法不當(dāng)很容易造成電機(jī)失步，啟動失敗。電機(jī)在由他控式變頻調(diào)速同步電機(jī)狀態(tài)向無刷直流電機(jī)狀態(tài)切換時，更是要求反復(fù)實(shí)驗(yàn)，軟硬件可靠。

本方案采用修正的“三段式”啟動，即“轉(zhuǎn)子預(yù)定位”和“恒速運(yùn)行及狀態(tài)切換”，這里的“狀態(tài)切換”是指從前2.5段的開環(huán)運(yùn)行切換到準(zhǔn)閉環(huán)運(yùn)行?！稗D(zhuǎn)子預(yù)定位”的方法是根據(jù)電機(jī)負(fù)載所需的啟動轉(zhuǎn)矩設(shè)定相應(yīng)的PWM占空比，重復(fù)2～3次短暫開通和關(guān)閉驅(qū)動電機(jī)的某一狀態(tài)，并記住這一狀態(tài)（因?yàn)橄乱徊骄鸵源藶槠瘘c(diǎn)，依序1-6換相加速）。“變頻加速”則依據(jù)事先計算好的數(shù)據(jù)表進(jìn)行延時換相，這下步的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)表的計算和占空比的選取，選取的策略是：根據(jù)電機(jī)負(fù)載所需的啟動轉(zhuǎn)矩設(shè)定能動起來的盡可能小的占空比，再根據(jù)電機(jī)的參數(shù)計算該占空比下的正常轉(zhuǎn)速N，以略大于此轉(zhuǎn)速為上限，以150轉(zhuǎn)/分或200轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速為起始值，以30～50轉(zhuǎn)/分為加速度，20ms調(diào)速簡隔，計算每種速度時換相延時時間做成數(shù)據(jù)表。當(dāng)“變頻加速”到轉(zhuǎn)速N附近時，不斷采集的反電動勢過零檢測信號是否符合當(dāng)前狀態(tài)的位置信息，并判斷其“變化規(guī)律”是否符合霍爾傳感器輸出的信號的“變化規(guī)律”，符合時就以當(dāng)前轉(zhuǎn)速“恒速運(yùn)行”一小段時間，并不斷采集反電動勢過零檢測信號，之后就按采集反電動勢過零檢測信號切換狀態(tài)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，至此啟動完成進(jìn)入“準(zhǔn)閉環(huán)”運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)語

方案應(yīng)分別用到300V/300W的高壓電機(jī)和24V/60W的低壓電機(jī)上啟動和運(yùn)行狀態(tài)都良好，啟動平穩(wěn)，且啟動成功率高（間歇啟動測試約200次，成功率大于99%），運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，不失步，調(diào)速性能好。不足之處有兩方面：一方面是由實(shí)驗(yàn)測量可知，剛換相時反電動勢過零檢測信號波形偶會出現(xiàn)低電平毛刺，解決的方法是通過軟件在讀取反電動勢過零檢測信號波時進(jìn)行多次重讀比較的方法去除毛刺；另一方面是“變頻加速”過程中用到的數(shù)據(jù)表不能通用，對于不同參數(shù)的電機(jī)，不同的啟動轉(zhuǎn)矩需要重新計算數(shù)據(jù)表，解決的方向是在軟件中錄入電機(jī)參數(shù)和啟動轉(zhuǎn)矩，由軟件自動計算所需數(shù)據(jù)。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）