無位置傳感器直流無刷電機控制的研究

莊乾成，杜豫平

（蘇州信息職業技術學院 通信與信息工程系，吳江 215200）

0 引言

永磁無刷直流電動機由于結構簡單、運行可靠、維護簡單以及運行效率高、無勵磁損耗、控制等優點，被廣泛用于電動汽車、儀器儀表、輕紡等行業，而無位置傳感器的永磁無刷電動機具有成本小、維護方便， 抗干擾能力強等優點，成為其發展方向，本設計主要研究對無位置傳感器的永磁無刷電動機的工作原理、速度控制以及位置檢測等。

1 無刷直流電動機工作原理

無刷直流電動機控制分為全橋式和半橋式，而按電機繞組結構分星型和三角形，全橋星型接法的電動機有轉矩脈動小，輸出轉矩大特點，因此本設計采用三相全橋星型電機，如圖1所示，無刷直流電動機通過位置檢測電路檢測無刷直流電動機端電壓，經微處理器運算后得到電機轉子的位置信號，再由驅動電路按轉子位置信號輪流導通功率逆變橋的六個功率管，以實現電機三相繞組的通電，三相橋式星型結構的無刷電機任意時刻兩相繞組導通，第三相處于懸空狀態，功率管有6種觸發狀態，每次只有兩只管子導通，每隔1/6周期（60°）電角度換向一次，每次換向一個功率管，每一個功率管導通120°電角度，所以每次只有兩相導通，另一相截止，導通相電流大小相等，方向相反，非導通相電流為零。如設無刷直流電機開始導通A,B相，此時功率管T1和T6導通，電流由A流入，由B相流出，此狀態維持60°電角度后開始換相，T6關斷，T2導通，此時導通相為A,C相，同樣維持60°電角度后開始換相，依次各功率管導通順序為：T1T6—T1T2—T3T2—T3T4—T5T4—T5T6—T1T6 完成一個周期轉動。

2 無位置傳感器無刷直流電動機硬件驅動電路

如圖2所示，電路主要器件為IR2130和MOSFET功率管（T1-T6）,其中驅動芯片IR2130可直接驅動高達600V電壓的高壓系統，并且最大正向峰值驅動電流為250mA，反向峰值驅動電流為500mA，具有電流放大和過電流保護功能，同時關斷六路輸出，具有欠壓鎖定功能并能及時關斷六路輸出; MOSFET功率管采用STP75NF75,其具有較快的開關速度，內部具有反向快速恢復二極管，對MOS管具有很好的保護作用，信號PWM1—PWM6 需經過隔離和緩沖器件后接控制器，FAULT引腳接控制器中斷輸入以處理過流保護程序，旁路電阻R7主要用來對電路電流進行采樣，阻值為48Ω,其轉化為電壓信號后需經過放大一定倍數后接入控制器。

傳統無刷直流電機需要靠位置傳感器來得到轉子的位置信號，并對電機三相繞組進行換相控制，但傳感器增加了體積，成本，且受運行環境干擾影響，而采用過反電動勢過零檢測繞組位置成為發展趨勢，無位置傳感器無刷直流電動機在工作過程中，其繞組具有梯形反電動勢和方波電流（如圖3所示），任何時刻只有兩相繞組導通，期間電機轉動120°電角度，此時另一組斷開因此沒有電流，故其端電壓反映該繞組反電動勢大小即為零，電機每轉一周各繞組反電動勢將兩次經過零點， 并且其反電動勢經過過零點時領先該相繞組轉換信號30°電角度。因此根據各繞組反電動勢過零點（相對于定子繞組中心點）檢測即可用于處理器控制產生繞組換相信號。但由于定子繞組中心點電動勢很難直接測量，但是可以通過對相關信號處理間接得到定子繞組中心點電動勢；如圖4所示為電機A相電路示意（B相、C相同理），Va為A相電壓，R、L分別是電機A相線圈等效電阻和電感，Ea為A相反電動勢，Vn是電機定子繞組中心點對地電壓，由圖分析可知A相電壓方程式：

同理B相和C 相電壓方程分別為：

因為電機運行時，每一時刻只有兩相繞組導通，并且這兩相繞組電流幅值相同而方向相反，此時第三相電流為零，因此以上三個方程相加得到：

三相電機任何一相經過零點時瞬間時Ea+Eb+Ec=0,因此過零點時可得到定子繞組中心電壓計算方程為：

由圖5可知，某相電流為0時，其反電動勢也 為 0， 如 Ea=Va-Vn， 當 Va=Vn時，En=0,因此根據各相電壓檢測，則定子中心電壓即可得到，當相端電壓和定子中心電壓相等時，即檢測到反電動勢過零點，根據反電動勢波形可知，延時30°電角度后即為換相點。具體檢測電路如圖5所示，相電壓經過電阻分壓后進行濾波得到Va′信號，并與Vn′信號通過比較器得到方波信號，并經過光耦隔離后信號送DSP檢測處理，途中Vb′、Vc′分別為Vb、Vc經過相同電路濾波得到的信號。

3 無傳感器無刷直流電動機速度控制

無傳感器無刷直流電動機速度控制是直流電機控制器根據給出的速度作為參考速度，采用雙閉環控制即速度閉環和電流內環如圖6所示，控制器根據給定的參考速度和實際檢測速度之差進行比例積分運算，根據運算結果對電機進行調速控制；電流調節同樣采用比例積分微分調節方式根據計算結果，配置合適的PWM占空比，使電機在啟動和加速時能起到限流和限幅作用，使繞組電流快速達到和穩定在最大值，對電機起到保護作用， 同時對電源和負載擾動等抗干擾能力得到增強。設計中，速度比例微分積分（PID）調節和電流比例微分積分（PID）調節均采用軟件實現。

速度PID調節是一種線性控制，其控制模型如圖6所示，其根據給定參考速度值v1(t)和實際檢測值v2(t)之間的差值：

圖6 系統閉環控制結構圖

其差值按照比例積分微分進行組合，計算出控制量u(t)，并通過控制此控制量來達到被控值對象的控制，輸入輸出關系為：

其中kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。

比例調節相當于控制系統的粗調，可以是系統控制的比較穩定，而積分調節則是相當于微調，能保證系統調節比較準確，微分調節則保證系統調節速度較快，從上式可以看出影響系統調節三個參數分別為kp、Ti、Td，為了更好的達到控制效果，必須對此參數進行整定。本設計主要采用Ziegler-Nichols整定法，整定在仿真過程中首先將常數Ti置無窮大，微分時間參數Td置零，比例參數kp置一定值，運行系統；然后將kp逐漸減小，直至得到等幅震蕩過程，記下臨界增益ku即臨界周期Tu；最后根據ku、Tu值按照表1中經驗公式，計算kp、Ti、Td參數。

表1 Ziegler-Nichols法參數整定

4 實驗結果

如圖8為每相繞組電動勢過零點檢測波形，Va′、Vb′、Vc′是各項端電壓經過濾波后得到信號，而Vn′是轉子中心點電壓信號，CAP1、CAP2、CAP3是檢測轉子位置輸入信號，T1 T6是6個從DSP輸出的用于觸發MOSFET功率管的脈沖信號，通過波形可知過零檢測控制比較理想。系統根據此種算法通過Matlab仿真如圖9所示，可知電流曲線比較理想，在速度為1500/r情況下快速平穩。

5 結束語

本文對無位置傳感器直流無刷電機控制器設計、反電動勢過零檢測以及速度控制等給出一定的方法，研究表明采用此種方法，硬件投入少、電路簡單，降低了設計成本，提高了系統的穩定性和可靠性。

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