基于PWM ON 反電勢檢測法的BLDCM 控制系統設計

孫旭霞，胡少一，高沁源

(西安理工大學，西安710048)

0 引 言

反電勢過零檢測法是無刷直流電動機的一種常用的位置檢測方法。由于在PWM 調制過程中，反電勢信號會受到強噪聲干擾，若采用傳統的反電勢過零檢測法，需進行深度濾波才能保證有效位置信號的獲取。本設計采用PWM ON 反電勢過零檢測法進行位置檢測，該方法只需經過一階阻容濾波網絡即可有效削弱PWM 引起的干擾信號和續流二極管續流導致的尖峰脈沖，避免誤過零現象的出現。在起動過程中，本設計對“三段式”起動方法進行改進，在加速階段引入恒壓頻比控制，避免在起動過程的失步現象，保證電機更加平滑切換至無位置閉環控制。

1 PWM ON 反電勢過零檢測

本文以具有梯形反電勢波形的三相無刷直流電動機為研究對象，并以兩兩導通的驅動方式為例子。忽略電樞反應、開關管以及續流二極管的導通壓降，當任意時刻只有兩相導通而另一相未導通時，可以檢測出未導通相的反電動勢。在檢測到未導通相反電動勢的過零點后，延時30°電角度，可確定電機的換相時刻。因此，可通過測量反電勢的過零點信息得到確定的轉子位置進行換相。以360°電角度作為一個“電周期”，正常狀態運行的反電勢波形和電流波形如圖1 所示。

在實際應用中，通常對逆變橋功率管施加PWM來控制電機調速。采用PWM 調制時，三相端電壓和中性點包含有與功率管開關頻率相同的高頻干擾信號，而合理的反電勢采樣時機可有效削弱高頻信號的干擾。按采樣時刻的不同，反電勢的過零檢測可以分在功率管導通時刻和在功率管關斷時刻采樣采樣，即PWM ON 和PWM OFF 兩種不同的采樣方法。

圖1 反電勢波形和電流波形

由于PWM 調制方式對開關損耗和轉矩脈動的不同，本文采用單斬方式“H -ON -L -PWM”進行PWM 調制，只針對該調制方式對兩種采樣方案進行分析。

如圖2 所示，在PWM ON 時刻，以BC 導通為例，電流流向由電源正端經過V2 和V6 流向電源負端。

圖2 無刷直流電動機驅動電路

無刷直流電動機的數學模型如下:

式中:ia，ib，ic為三相電流;r 為電樞繞組的電阻;LM為電樞繞組電感。由圖2 可知:ib= -ic，eb= -ec，ia=0。代入數學模型可得:Ua=ea+UN。由此可知，只需要經過將不通電相的繞組端電壓Ua進行簡單的阻容濾波，并和中性點電壓UN比較，即可獲得反電勢ea的過零點信息。

在PWM OFF 時刻，同樣以BC 導通為例，電流經過V2、D3 形成閉合回路。由圖2 可知:ib= -ic，ia=0，Ub=Uc=UN=Ud代入數學模型可得:Ua=ea+Ud。因此，直接檢測懸空相A 相繞組的端電壓Ua和母線電壓Ud相比較，即可獲得所需的反電勢ea過零點的信息。

將兩種采樣方式進行對比，PWM ON 時刻采樣得到的端電壓信息包含反電勢信息和中性點電壓信息，而PWN OFF 時刻采樣得到的端電壓信息包含反電勢信息和母線電壓信息。但是PWN OFF 不能在全工況狀態下運行，同時PWM OFF 期間續流二極管導通所產生的尖峰脈沖同樣也會造成過零點的捕捉錯誤。故采用PWM ON 采樣方式進行采樣。

2 系統硬件設計

2.1 控制系統硬件總構成

硬件系統整體框圖如圖3 所示。系統硬件系統主要由C8051F310 控制單元、無刷直流電動機驅動器、反電勢檢測模塊和轉速接收模塊和電源模塊構成。

主控模塊和驅動模塊設計成兩塊基本相同的PCB 板，并通過板對板接插件連接。這種方式大大減小了硬件的體積，同時也利于對分模塊的單獨調試。

圖3 系統的硬件控制整體框圖

2.2 無刷直流電動機驅動器設計

無刷直流電動機驅動器采用三相全橋逆變電路，選MOSFET 作為功率器件，并選用了雙邊可獨立控制的半橋驅動器IR2103 作為半橋驅動電路。由于系統空間的限制，本文未涉及電流保護，但在驅動電路結構上采用功率MOS 管并聯實現均流效應，減少大電流對MOS 管的沖擊并分散散熱。實際電路中選擇Vishay Siliconix 公司生產的N 溝道MOS管Si7164DP 作為功率器件，每一路選擇四個MOSFET 進行并聯使用。為了獲得更好的并聯效果，在實際設計中，保證每個MOS 管的漏極到功率電源VH的正端之間的連線長度盡可能相等。電路圖如圖4 所示。

圖4 單橋臂的并聯MOS 管電路圖

每個Si7164DP 可通過的漏極直流電流最大為60 A，可通過的漏極脈動電流最大為80 A。由此可知，本電路可以驅動的直流電流240 A、脈動電流320 A，可滿足無刷直流電動機大電流驅動的要求。Si7164DP 采用S0 -8 貼片式封裝，滿足了硬件小體積的要求。

2.3 反電勢檢測模塊設計

PWM ON 的反電勢過零檢測法采用端電壓檢測，將懸空相非導通相的相電壓與中性點電壓比較，即可獲取反電勢過零點。在無位置控制器中一般可省去外接的中性點引線，通過在電路中重構中性點的方式來獲取中性點電壓。

在PWM ON 狀態下，端電壓和虛擬中性點都會受到PWM 信號的干擾，需要進行濾波處理，通常采用一階RC 電路進行低通濾波。如圖5 所示，以A相為例，電機三相電壓經過R23、R27、C20 分壓濾波后輸入到單片機作為ADC 差分信號的正輸入，然后將重構的中性點UN作為ADC 差分信號的負輸入，進行差分比較獲取反電動勢的過零點。其中UN=(UA+UB+UC)/3。

圖5 反電勢過零檢測電路

3 系統軟件設計

3.1 主程序流程

無刷直流電動機可分為兩個主要階段運行:起動運行階段和閉環運行階段。“三段式”的起動方式分為三步:位置鎖定、加速、狀態切換。主程序根據當前電機的工作狀態，對驅動不同功率器件施加驅動信號，實現“六步換相”運行。用Motor_status定義當前的電機狀態。0，1 表示起動前的兩次鎖定階段，2 表示運行加速階段，3 表示運行等待切換階段，4 表示閉環運行階段。在一次成功起動運行的過程中，電機必須要經過0 ～3 的起動階段，并通過切換過渡到閉環運行方式。其中，合適的起動策略和準確的反電勢過零點信息在電機起動運行中至關重要。如圖6 所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 反電勢過零點信息的捕獲與處理

為了實現PWM ON 的采樣方式，本文在每次T0溢出時起動一次ADC 轉化，并將T0 的定時時間設為42 μs，保持與PWM 的工作頻率23.4 kHz 一致。需要注意的是，為了保證每一次的采樣點在PWM的開通時段，需要在第一次進入中斷時，對采樣點進行校準，該工作在T0 中斷中進行。在每次進入ADC 采樣中斷后，記錄當前采樣值和上一周期的采樣值的正負標志。若標志不同，則認為當前時刻為過零點;若相同，只進行計數。在檢測過程中，若未出現堵轉現象，經過誤過零點剔除后，可根據兩個相鄰過零點的之間的計數值獲取當前電機的轉速，并推出延時角的時間，用T1 定時器定時等待換相時刻。如圖7 所示。

圖7 反電勢過零點信息的捕獲與處理流程

3.3“三段式”起動軟件設計

在軟件上，設計了“預定位”程序、加速及切換程序。

在加速階段，若施加的勵磁電流過小，轉子將不能快速到達預定位置;若過大，則轉子過快轉到預定位置，并在轉到定子合成磁勢位置后衰減振蕩。勵磁電流的大小由PWM 占空比決定。為了避免失步與振蕩，采用斜坡式的加速曲線與“恒壓頻比”的控制方式，通過調整壓頻比施加不同大小的勵磁電流。加速過程涉及以下幾個重要參數:加速度、初始速度、加速斜坡序列的拍數、恒壓頻比K、速度和PWM占空比。根據初始的速度和壓頻比，可算出第一拍的運行時間和PWM 占空比。并根據設定的加速度計算出下一步的速度，再計算第二步的運行時間和PWM 占空比。通過遞歸運算，可得出每一步的運行時間、速度和PWM 占空比。如圖8 所示。

當加速起動完成后，即可進行切換。當連續檢測到三次有效的反電勢過零點，即認為切換成功。

在加速起動后和切換完成期間，保持最后一步的運行時間和PWM 占空比不變，繼續進行換相。這樣會在加速完成后或者切換失敗后繼續給電機施加勵磁電流來維持速度相對穩定，保證電機不會停轉，才能進行下一次切換嘗試。

圖8 加速曲線參數的遞歸運算

經反復測試，該起動方法可平滑切換至無位置閉環運行。

4 系統測試

系統控制對象為J86 無刷直流電動機，其主要參數:電壓24 V(DC)，額定電流13 A，電阻(20°)156 mΩ，電感107.8 μH，反電勢線有效值2 750 r/min，轉矩1 N·m，極對數22 極。測試過程中，通過外圍的調速旋鈕模擬外部接收機，給定轉速進行調速。要求調速范圍在300 ～2 750 r/min，轉速穩態誤差限制在1%內。

圖9 為A 相端電壓和反電勢過零信號，處在調制狀態下，近似呈梯形。由端電壓波形看出，端電壓在調制狀態下會受到PWM 引起的噪聲干擾，需要進行濾波處理。同時，在每次換相時刻，會出現由續流二極管續流作用引起的尖峰脈沖。因此，在軟件上采取了在PWM ON 時刻采樣的方案，并對端電壓進行濾波處理。圖10 為端電壓和濾波后的波形對比，經過濾波后，可獲取圖9 中的反電勢過零信號。圖11 為端電壓和電流波形。

實驗用轉速表UT372 對轉速進行動態測試，圖12 為給定轉速2 750 r/min 轉速波形，圖13 為給定轉速1 500 r/min 轉速波形。經測試，在起動過程中未出現失步現象，在進入穩態后，轉速的穩態誤差可限制在0.05%內。

圖9 A 相端電壓和反電勢過零信號(截圖)

圖10 端電壓和濾波后的波形對比(截圖)

圖11 端電壓和電流波形(截圖)

圖12 給定轉速2 750 r/min 轉速波形

圖13 給定轉速1 500 r/min 轉速波形

5 結 語

本文采用PWM ON 反電勢過零檢測法作為轉子位置檢測的方法，并基于該無位置控制方法搭建無刷直流電動機的控制系統。通過實驗驗證，采用PWM ON 反電勢過零檢測法的無刷直流電動機無位置控制系統可準確獲取位置信號，起動穩定，轉速誤差很小，抗擾性能較好。在電機起動運行過程中未出現失步現象，具有良好的運行性能，可滿足系統要求。

［1］ 譚建成.永磁無刷直流電機技術［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［2］ 吳紅星，葉宇驕，倪天，等.無刷直流電機轉子位置檢測技術綜述［J］.微電機，2011，44(4):32 -36.

［3］ 童長飛.C8051F 系列單片機開發與C 語言編程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［4］ 潘琢金.C8051F310/1 混合信號ISP FLASH 微調速器數據手冊［Z］.沈陽:沈陽新華龍電子有限公司.2003.

［5］ 陳毓輝.功率MOS 管并聯方法的研究［J］. 自動化技術與應用，2012，(5):77 -81.

［6］ NAIR A，RAJAGOPAL K R. A novel back - EMF detection scheme based sensorless control of permanent magnet brushless DC motor drive［C］//2010 International Conference on. Electrical Machines and Systems，2010:978 -983.

［7］ 吳筱輝，程小華，劉杰.反電勢法檢測轉子位置的直流無刷電機系統起動方法［J］.中小型電機，2005，32(5):60 -63.

［8］ CONDIT R. Sensorless BLDC control with back - EMF filtering［Z］.Microchip Technology Inc，AN1083，2007.

［9］ 胡雙，馬志云，周理兵，等.永磁無刷直流電機系統建模與仿真［J］.微特電機，2003，31(3):21 -23.