無(wú)傳感器直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制策略

管志旺

（廣東省粵東商貿(mào)技工學(xué)校，廣東 梅州 514031）

無(wú)傳感器直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制策略

管志旺

（廣東省粵東商貿(mào)技工學(xué)校，廣東 梅州 514031）

文章通過(guò)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)繞組反電動(dòng)勢(shì)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(shí)序推導(dǎo)，設(shè)計(jì)一款基于MCS51單片機(jī)的無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，給出了較優(yōu)的啟動(dòng)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(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)都良好，系統(tǒng)的啟動(dòng)成功率不低于99%，啟動(dòng)和運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速性能好。

無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)；反電動(dòng)勢(shì)；驅(qū)動(dòng)控制；啟動(dòng)控制；MCS51單片機(jī)

1 概述

電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息的檢測(cè)是無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)控制的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，檢測(cè)無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息的方法有很多，使用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零法是其中較常用的一種，這種檢測(cè)方法具有線路簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但存在一個(gè)硬件無(wú)法克服的缺點(diǎn)：在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)前及啟動(dòng)之初轉(zhuǎn)速較低時(shí)反電勢(shì)無(wú)法檢測(cè)，只能用軟件的方法進(jìn)行處理。運(yùn)行過(guò)程中在任何時(shí)刻電動(dòng)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(guò)測(cè)量三相繞組端子及中性點(diǎn)相對(duì)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(shí)，則此時(shí)刻該相繞組反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零，再過(guò)30°電角度就必須對(duì)功率器件進(jìn)行換相，據(jù)此設(shè)計(jì)過(guò)零檢測(cè)及移相（或定時(shí)）電路，從而得到全橋驅(qū)動(dòng)6個(gè)功率器件的開(kāi)關(guān)順序。此法的第一關(guān)鍵點(diǎn)是由硬件獲得實(shí)時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，第二關(guān)鍵點(diǎn)是由軟件估算30°電角度的時(shí)延。在實(shí)際應(yīng)用中，由于各種因素會(huì)導(dǎo)致所獲得的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)并不“實(shí)時(shí)”，估算的30°電角度會(huì)隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化出現(xiàn)超前或滯后，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行不順暢。

2 設(shè)計(jì)原理分析

2.1 反電動(dòng)勢(shì)推導(dǎo)

圖1 電機(jī)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電路模型

無(wú)刷直流電機(jī)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電路模型如圖1所示，無(wú)刷直流電機(jī)的三相端電壓方程：

由于采用兩相導(dǎo)通三相六拍運(yùn)行方式，任一瞬間只有兩相導(dǎo)通，設(shè)A相、B相導(dǎo)通，且A+、B-，則A、B兩相電流大小相等，方向相反，C相電流為零。即：

則式（1）與式（2）相加可得：

于是可得C相反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方程為：

同理可得A和B相反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方程為：

2.2 主電路圖

圖2 主電路圖

采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)控制方案時(shí)，主電路如圖2所示，其工作過(guò)程如下：

wt=0°電流：

電源（UDC+）→G3→Lb→La→G4→電源（UDC-）

wt=60°電流：

電源（UDC+）→G3→Lb→Lc→G2→電源（UDC-）

wt=120°電流：

電源（UDC+）→G1→La→Lc→G2→電源（UDC-）

wt=180°電流：

電源（UDC+）→G1→La→Lb→G6→電源（UDC-）

wt=240°電流：

電源（UDC+）→G5→Lc→Lb→G6→電源（UDC-）

wt=300°電流：

電源（UDC+）→G5→Lc→La→G4→電源（UDC-）

wt=360°電流：

電源（UDC+）→G3→Lb→La→G4→電源（UDC-）

2.3 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)及換相點(diǎn)分析

反電動(dòng)勢(shì)過(guò)“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(gè)功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)波形表示反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)和換相點(diǎn)，其中Z為反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)、C為換相點(diǎn)。反電勢(shì)過(guò)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(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)延遲90°電角度

把La、Lb、Lc三相（對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)稱(chēng)為A、B、C相）的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)獨(dú)立分離開(kāi)來(lái)，如圖4所示的反電動(dòng)勢(shì)即時(shí)輸出波形，對(duì)應(yīng)于圖3中的Z1至Z6過(guò)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(dòng)勢(shì)輸出波形往右移動(dòng)90°電角度（30°+60°），得到圖5所示波形。

圖3 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)“0”點(diǎn)及換相點(diǎn)示意圖

圖4 反電動(dòng)勢(shì)即時(shí)輸出波形

圖5 反電動(dòng)勢(shì)延時(shí)90°相角后輸出波形

圖6 三相全波六狀態(tài)工作方式位置傳感器時(shí)序圖

圖6是三相全波六狀態(tài)工作方式位置傳感器時(shí)序圖，通過(guò)對(duì)圖5和圖6的對(duì)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(duì)應(yīng)，也就是說(shuō)經(jīng)過(guò)移相90°電角度的三相反電動(dòng)勢(shì)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(wú)刷電機(jī)一樣直接作為轉(zhuǎn)子的位置信息來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3 過(guò)零檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電路設(shè)計(jì)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(dòng)勢(shì)。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(guò)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(dòng)勢(shì)。

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

圖7 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路圖

反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路如圖7所示，首先端電壓經(jīng)過(guò)電阻串聯(lián)分壓把較高的端電壓調(diào)小，同時(shí)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(dòng)勢(shì)中點(diǎn)電壓，移相后的各相反電動(dòng)勢(shì)與該中點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，輸出相應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)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(cè)線電壓的過(guò)零點(diǎn)。這個(gè)過(guò)零點(diǎn)正好對(duì)應(yīng)電機(jī)的換相點(diǎn)，因此比較器輸出的換相信號(hào)與霍爾傳感器輸出的換相信號(hào)完全一致。

3.3 測(cè)試結(jié)果

在有傳感器無(wú)刷直流電機(jī)中接入圖7所示電路制作的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路，測(cè)試各輸出端與電機(jī)轉(zhuǎn)子相應(yīng)位置傳感器（霍爾）信號(hào)波形，如圖8、圖9所示。

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)速為3690轉(zhuǎn)/分的測(cè)試波形圖

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速為12135轉(zhuǎn)/分的測(cè)試波形圖

圖中通道2的波形為反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)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(duì)數(shù)為2）的測(cè)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(cè)量情況。據(jù)此可以看出，比較器輸出的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)信號(hào)與霍爾傳感器輸出的信號(hào)大體一致。

4 電機(jī)啟動(dòng)及運(yùn)行策略

電機(jī)常用的“三段式”啟動(dòng)，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(dòng)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(wú)刷直流電機(jī)狀態(tài)切換時(shí)，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(dòng)，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(kāi)環(huán)運(yùn)行切換到準(zhǔn)閉環(huán)運(yùn)行。“轉(zhuǎn)子預(yù)定位”的方法是根據(jù)電機(jī)負(fù)載所需的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)定相應(yīng)的PWM占空比，重復(fù)2～3次短暫開(kāi)通和關(guān)閉驅(qū)動(dòng)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(jì)算好的數(shù)據(jù)表進(jìn)行延時(shí)換相，這下步的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)表的計(jì)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(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)定能動(dòng)起來(lái)的盡可能小的占空比，再根據(jù)電機(jī)的參數(shù)計(jì)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(jiǎn)隔，計(jì)算每種速度時(shí)換相延時(shí)時(shí)間做成數(shù)據(jù)表。當(dāng)“變頻加速”到轉(zhuǎn)速N附近時(shí)，不斷采集的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)信號(hào)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(hào)的“變化規(guī)律”，符合時(shí)就以當(dāng)前轉(zhuǎn)速“恒速運(yùn)行”一小段時(shí)間，并不斷采集反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)信號(hào)，之后就按采集反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)信號(hào)切換狀態(tài)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，至此啟動(dòng)完成進(jìn)入“準(zhǔn)閉環(huán)”運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

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(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)都良好，啟動(dòng)平穩(wěn)，且啟動(dòng)成功率高（間歇啟動(dòng)測(cè)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(cè)量可知，剛換相時(shí)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)信號(hào)波形偶會(huì)出現(xiàn)低電平毛刺，解決的方法是通過(guò)軟件在讀取反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)信號(hào)波時(shí)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(guò)程中用到的數(shù)據(jù)表不能通用，對(duì)于不同參數(shù)的電機(jī)，不同的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩需要重新計(jì)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(dòng)轉(zhuǎn)矩，由軟件自動(dòng)計(jì)算所需數(shù)據(jù)。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）

TM36

1009-2374（2017）07-0013-03

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.006

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