無傳感器直流電機驅動系統設計及控制策略

管志旺

摘要：文章通過對無刷直流電機繞組反電動勢波形進行分析，結合三相全波六狀態工作方式位置傳感器時序推導，設計一款基于MCS51單片機的無位置傳感器直流無刷電機驅動控制系統，給出了較優的啟動控制策略。經實驗，方案應用到高壓電機和低壓電機上啟動和運行狀態都良好，系統的啟動成功率不低于99%，啟動和運行平穩，調速性能好。

關鍵詞：無傳感器無刷直流電機；反電動勢；驅動控制；啟動控制；MCS51單片機 文獻標識碼：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

電機轉子位置信息的檢測是無位置傳感器直流無刷電機控制的一個關鍵點，檢測無位置傳感器的直流無刷電機轉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、成本低廉等優點，但存在一個硬件無法克服的缺點：在電機轉動前及啟動之初轉速較低時反電勢無法檢測，只能用軟件的方法進行處理。運行過程中在任何時刻電動機三相繞組只有兩相導通，且每相繞組正反向各導通120°電角度，通過測量三相繞組端子及中性點相對于直流母線負端（或正端）的電位，當某端點電位與中性點電位相等時，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行換相，據此設計過零檢測及移相（或定時）電路，從而得到全橋驅動6個功率器件的開關順序。此法的第一關鍵點是由硬件獲得實時的反電動勢過零點，第二關鍵點是由軟件估算30°電角度的時延。在實際應用中，由于各種因素會導致所獲得的反電動勢過零點并不“實時”，估算的30°電角度會隨電機轉速的變化出現超前或滯后，可能會導致電機運行不

順暢。

2 設計原理分析

2.1 反電動勢推導

2.3 反電動勢過零點及換相點分析

反電動勢過“0”點及換相點示意圖如圖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個功率開關導通。過零點檢測波形表示反電動勢過零點和換相點，其中Z為反電動勢過零點、C為換相點。反電勢過零點和換相點均勻分布，彼此間隔30°電角度。

2.4 反電動勢過零點延遲90°電角度

把La、Lb、Lc三相（對應簡稱為A、B、C相）的反電動勢過零點獨立分離開來，如圖4所示的反電動勢即時輸出波形，對應于圖3中的Z1至Z6過零點，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的對照比較不難發現：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，也就是說經過移相90°電角度的三相反電動勢波形，再相應調節相序后便可像有位置傳感器直流無刷電機一樣直接作為轉子的位置信息來驅動電機。

3 過零檢測硬件設計

3.1 電路設計依據

當PWM關斷期間，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PWM導通期間，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 硬件電路設計

反電動勢過零檢測電路如圖7所示，首先端電壓經過電阻串聯分壓把較高的端電壓調小，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的，但又不能太大，通常用4.7～10uF。圖中由R2、R3、R4重構出移相后的反電動勢中點電壓，移相后的各相反電動勢與該中點電壓進行比較，輸出相應的反電動勢過零檢測波形，也就是電機轉子的位置信息。

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，實質上就是檢測線電壓的過零點。這個過零點正好對應電機的換相點，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 測試結果

在有傳感器無刷直流電機中接入圖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轉子相應位置傳感器（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，即電機轉速約為3690轉/分（試驗電機磁極對數為2）的測量情況；圖9所示頻率為404.525Hz，即電機轉速約為12135轉/分的測量情況。據此可以看出，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 電機啟動及運行策略

電機常用的“三段式”啟動，即“轉子定位”、“變頻加速”和“狀態切換”，其中第二、三步跟電機的自身特性、負載轉矩、外施電壓、加速曲線等密切相關，若方法不當很容易造成電機失步，啟動失敗。電機在由他控式變頻調速同步電機狀態向無刷直流電機狀態切換時，更是要求反復實驗，軟硬件可靠。

本方案采用修正的“三段式”啟動，即“轉子預定位”和“恒速運行及狀態切換”，這里的“狀態切換”是指從前2.5段的開環運行切換到準閉環運行。“轉子預定位”的方法是根據電機負載所需的啟動轉矩設定相應的PWM占空比，重復2～3次短暫開通和關閉驅動電機的某一狀態，并記住這一狀態（因為下一步就要以此為起點，依序1-6換相加速）。“變頻加速”則依據事先計算好的數據表進行延時換相，這下步的關鍵是數據表的計算和占空比的選取，選取的策略是：根據電機負載所需的啟動轉矩設定能動起來的盡可能小的占空比，再根據電機的參數計算該占空比下的正常轉速N，以略大于此轉速為上限，以150轉/分或200轉/分的轉速為起始值，以30～50轉/分為加速度，20ms調速簡隔，計算每種速度時換相延時時間做成數據表。當“變頻加速”到轉速N附近時，不斷采集的反電動勢過零檢測信號是否符合當前狀態的位置信息，并判斷其“變化規律”是否符合霍爾傳感器輸出的信號的“變化規律”，符合時就以當前轉速“恒速運行”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電機的運行狀態，至此啟動完成進入“準閉環”運行狀態。

5 結語

方案應分別用到300V/300W的高壓電機和24V/60W的低壓電機上啟動和運行狀態都良好，啟動平穩，且啟動成功率高（間歇啟動測試約200次，成功率大于99%），運行狀態平穩，不失步，調速性能好。不足之處有兩方面：一方面是由實驗測量可知，剛換相時反電動勢過零檢測信號波形偶會出現低電平毛刺，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”過程中用到的數據表不能通用，對于不同參數的電機，不同的啟動轉矩需要重新計算數據表，解決的方向是在軟件中錄入電機參數和啟動轉矩，由軟件自動計算所需數據。

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（責任編輯：黃銀芳）