基于DSC的無刷直流電動機過零檢測方法

朱樂樂，王宜懷，胡玉鑫，王 浩

(蘇州大學，江蘇蘇州 215000)

0 引 言

無位置傳感器無刷直流電動機是無刷直流電動機中的一種類型，有著無刷直流電動機的很多優點，同時也解決了無刷直流電動機在位置傳感器方面的諸多問題，廣泛應用于各個行業［1－2］。該類電機的過零檢測是驅動控制的關鍵技術，一直是國內外研究的熱點。針對不同的應用領域，出現了許多檢測方法［3］，這些方法本質上都是通過采集電機工作時的電流、電壓、反電動勢等物理量和相應的電機運行參數在線計算出轉子的位置。這些方法包括續流二極管法、電流檢測法和反電動勢法，續流二極管法本質上還是反電動勢法，適用于低速范圍，其缺點是需要使用六路相互隔離的電源，增加了硬件成本和系統不穩定性。電流檢測法也叫做電感檢測法，利用電機繞組內部電感與轉子位置之間的對應關系，通過檢測電感來確定轉子的位置。由于該方法需要對繞組電感實時采集，實現比較困難，在實際運用中很少使用。反電動勢法是目前技術最成熟、最有效和應用最為廣泛的一種轉子位置檢測方法［4］。這種方法是建立在忽略電機電樞反應的前提下，通過檢測不導通相的反電動勢過零點，再延遲30°來依次得到轉子的六個關鍵位置信號。傳統的反電動勢法主要是使用硬件電路檢測法，該方法使用直流總線電壓中點來重構電機中點。該方法需要硬件濾波電路和電壓比較電路，增加了硬件成本和系統不穩定性［5］。同時由于開關噪聲、深度濾波電路、電壓比較電路等因素，容易導致反電動勢誤過零信號和換相延遲［6］。

為了解決上述反電動勢法存在的問題，提出了一種基于數字信號控制器(以下簡稱DSC)的嵌入式軟件算法的反電動勢過零檢測新方法，簡稱為ES－BEZ方法。該方法不同于傳統反電動勢過零檢測原理，不需要硬件構造電機中點、深度濾波電路和電壓比較電路，利用微處理器或數字信號處理器實現三相端電壓動態實時采集和濾波，并結合軟件算法，算得反電動勢過零點，再延遲30°角度換相。另外，嵌入式技術的快速發展也推動著傳統技術快速革新。傳統方法以當時的科學技術為支撐，并不能適應當前技術的要求，這就需要新的理論和方法以適應新的科技，所以，ES－BEZ提出對于BLDC領域有著重要的借鑒意義。

1 ES－BEZ理論基礎與算法分析

無刷直流電動機一般采用三相六狀態導通方式，在一個電機運轉周期內需要六個轉子的位置數據對電機進行換相。圖1為無刷直流電動機等效電路和驅動電路圖，該電機為三相星型連接，中點不引線。圖1中Ud為電源，V1～V6為六個場效應管，n為電機星型繞組中點。假設忽略渦流、磁滯和鋸齒效應等干擾，由圖1可以得到電機三個相端電壓的方程式［7］:

式中:Ua、Ub、Uc分別為電機的三相端電壓，Un為電機中點電壓，ia、ib、ic分別為電機的三相繞組電流，ea、eb、ec分別為三相繞組反電動勢，R為定子電阻，Ls為定子相繞組自感，Lm為定子相繞組互感，L=Ls－Lm，L為有效電感，p為微分算子。

圖1 無刷直流電動機驅動電路及等效電路圖

將式(1)中的 Ua、Ub、Uc兩兩相減可得如下的關系式:

由于電機運轉時，只有兩相導通，現假設a、b相導通，c相截止，化簡式(2)得:

圖2為無刷直流電動機反電動勢過零及30°延時換相原理圖，圖中Z1～Z6分別表示電機工作時的過零點，S1～S6為實際電機換相點，V1～V6為場效應管在θ上的通斷狀態。通過原理圖可以看出，實際換相點與過零點之間相差30°。

圖2 無刷直流電動機反電動勢過零及換相原理圖

根據圖2可知，在c相反電動勢過零點附近ea+eb=0。同時根據電機的繞組星型連接可以知道ia+ib+ic=0。式(3)可以化簡:

由式(4)可以看出，c相的反電動勢與cb、ac之間的電壓、c相的電流及電機的內阻和電感有關。現假設如果ic=0，式(4)可以進一步化簡。由于電機在換相期間有電磁變化，換相時三相繞組都會有電流變化。但換相結束后一段時間內(下一次換相之前)截止端電流為零，所以c相電流在過零點附近可以認為是零，式(4)可以進一步化簡:

式(5)說明了c相的反電動勢只與電機的三相端電壓有關。當轉子無限接近過零點時，c點的反電動勢ec的值為零，式(5)可以化簡為:2Uc=Ua+Ub。換句話說，只要實時采集電機三端電壓，通過式(5)實時計算就可以檢測出截止端的反電動勢過零點。

根據圖1的無刷直流電動機驅動電路中的6個場效應管位置順序，將電機轉動一圈分為六區間，每區間60°，如圖2所示。以電機順時針轉動為例，在每個區間內，指出導通相和截止相，并且指出6個場效應管的通斷，結合式(5)給出反電動勢與導通區間的關系，如表1所示。

表1 反電動勢與導通區間的關系

從電路上來說，ES－BEZ只需要電阻分壓電路，而傳統方法需要硬件構建電阻網絡中點或總線電壓中點，再通過電壓比較電路實現反電動勢過零檢測;從算法來說，ES－BEZ通過采集電機三相端電壓，經過式(5)計算實現反電動勢過零檢測，而傳統方法主要通過捕捉比較輸出電平信號。ES－BEZ相比傳統方法，電路簡單，硬件依賴性弱，抗干擾較強，不容易收到外部信號的干擾。所以，ES－BEZ是一種優于傳統方法的過零檢測新方法，該方法的提出對于無刷直流電動機領域有著重要的借鑒意義。

2 ES－BEZ軟件算法

本文選擇以Freescale DSC系列單片機MC56F8257［8］為主控芯片，設計了 ES －BEZ 軟件算法。一套完整的電機主控器軟件包括以下幾個部分:電機起動算法、反電動勢過零檢測、電機換相控制和速度控制。速度控制主要采用PWM調節［9］。根據ES－BEZ算法思想結合MC56F8257特性，使用構件設計思想設計了ES－BEZ軟件算法。構件化程序設計思想的加入，有助于加強程序算法結構的清晰度。

圖3為PWM占空比40%的電機c相端電壓的波形圖。此時a、b相導通，c相截止，對應于表1中的區間4。圖3中，c相電壓不是連續變化，結合PWM波形可以發現，當a、b導通時，c為處于波峰;當a、b截止時，c處于波谷。當a、b處于導通狀態時，c相電壓有效，此時采集電壓為有效電壓。因此，在程序設計時，需要考慮如何確保采集的電壓有效。

圖3 PWM占空比40%的c相電壓的波形圖

根據主控芯片MC56F8257的PWM模塊性能可知，在PWM每個周期可以觸發一個定時器溢出中斷。所以當將PWM模式設置為居中對齊時，中斷觸發后電壓采集點正好處于圖4波峰的中間位置，此時的電壓為有效值。基于上述思想，實現了反電動勢過零檢測軟件算法，圖4為反電動勢過零檢測軟件算法執行流程圖。

反電動勢過零檢測過程分為兩個部分，定時器1中斷例程和定時器2中斷例程。定時器1中斷是由PWM周期決定的，在定時器1溢出的中斷例程中采集總線電壓、總線電流和電機的三相端電壓，根據采集的數據采用式(5)和表1判斷是否檢測到過零信號。在檢測到過零信號后設定定時器2，延時30°用于換相。

圖4 反電動勢過零檢測執行流程圖

定時器2中斷例程主要用于檢測到反電動勢過零點后的30°延時換相。當定時器1中斷例程中設定的時間到達時，定時器2產生時間溢出中斷，中斷例程中判斷過零標志，處理電機換相，清除過零標志并置換相標志。

通過軟件算法性能分析，中斷方式實現過零檢測相位延時小、實時性高，假設PWM頻率為16 kHz時，可以計算出每秒過零檢測次數為8000次。

3 ES－BEZ測試分析

為了驗證ES－BEZ性能，本文使用ES－BEZ軟件算法實現電動車反電動勢過零檢測。ES－BEZ軟件算法使用的主要硬件電路是電壓分壓電路，該電路的具體設計如圖5所示。

圖5 單相電壓采集電路

實驗測試過程中，觀察到電機有異常噪聲和抖動。初步分析是電機缺相，后經過多次實驗發現是電機換相時間不準確。反復分析ES－BEZ，發現式(5)忽略了換相時刻截止相電流。根據電感的特性，換相時刻繞組續流，產生消磁事件。圖6為電機工作時的c相端電壓波形圖，通過與圖2波形的比較，圖6中尖峰信號為c相換相時的消磁事件。

圖6 c相電壓波形圖

為了避免錯誤過零判斷，ES－BEZ規定從換相后的第4個定時器1溢出中斷開始過零檢測。同時，ES－BEZ對過零檢測做了一定條件的限制，只有當采集相的電壓處于總線電壓的20%～80%之間才執行反電動勢過零檢測算法。在修正了上述問題后，實驗觀察發現電機有時還會出現上述現象，分析發現每個PWM周期會產生兩次定時器1溢出中斷，PWM結束時的溢出中斷會引起程序誤處理。在此基礎上再次修正ES－BEZ，當導通相的正向電壓小于總線電壓的90%時，此次溢出中斷并不做過零檢測處理。

4 結 語

本文充分利用嵌入式軟件算法實現無位置傳感器無刷直流電動機的過零檢測，提出了過零檢測的ES－BEZ方法，具有硬件電路簡潔、軟件結構清晰及實時性好等優點。其核心思想是推導出ec=0.5(Ucb－Uac)，計算出反電動勢過零點，結合硬件中斷，再延遲30°角度換相。開發的程序設計方法使得軟件算法有著較高的效率，構件化的程序設計思想使得軟件算法有著清晰的結構。實際應用結果顯示，該方法硬件依賴性弱，抗干擾較強，保證了系統的實時性，是一種無位置傳感器無刷直流電機控制的新型軟硬件結合的設計方式。

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