無刷直流電動機無位置傳感器起動控制的研究

王小寧，王宜懷，丁 偉

(蘇州大學，蘇州 215006)

0 引 言

作為直流電動機的一種，無刷直流電動機不僅具有直流電動機運行效率高、過載能力強、無勵磁損耗以及良好的調速性能等特點。同時，使用電子換相器讓其也具有結構簡單、運行可靠、易于維護等其他優點。不過無刷直流電動機中的位置傳感器會增加電機的體積和成本，并且會降低電機的運行可靠性。無位置傳感器控制方法可以克服上述問題。目前最常用的無位置傳感器控制方法是電機定子繞組反電勢檢測法[1-4]。不過，在電機低速旋轉或者起動時,對反電勢的檢測會存在很大的干擾和誤差。因此需要采取另外的檢測技術來使電機起動。從文獻中來看， “三段式”的起動方法使用較多[5-6]。首先對轉子進行預定位，然后讓電機轉入外同步狀態工作，當反電勢建立起來后，再使用反電勢法控制，之后電機運行在自同步階段。這種方式比較容易受到一些先決條件的影響，如負載轉矩和外部施加電壓等；文獻[7-8]提出了基于電感法的起動方法，通過加載6個短時檢測脈沖，并比較電流檢測的峰值來確定當前轉子位置，該方法僅比較電流采樣峰值，并不能真實反映電流變化率，造成轉子預定位錯誤，并且在加速時加載6個脈沖判斷位置，操作復雜。本文提出了一種新的基于電感法的起動方法，起動時在記錄每次電流峰值的基礎上，將同時記錄電流超過閾值的抬升時間，通過兩者的綜合判斷來確定當前轉子位置，同時優化了傳統方法的加速再定位過程，加速過程中只需加入兩個檢測脈沖便可以確定當前轉子的位置。

1 電感法轉子位置檢測基本原理

電感法是根據無刷直流電動機定子繞組磁鏈的特點，通過其不同的觀測值來最終確定無刷直流電動機轉子位置的方法[10]。

無刷直流電動機一相電壓平衡方程：

(1)

式中：Ux為無刷直流電動機相電壓；R為相電阻；ix為相電流；Lx為相電感；ex為相反電勢。

電機起動時沒有反電勢，同時也不考慮電阻壓降，所以相電壓：

(2)

根據公式可知，當無刷直流電動機一相繞組施加一定的電壓Ux后，繞組的電感變化和電流變化率成反比。電感增大，則電流變化率減小；反之則增大。一相繞組的電感：

(3)

式中：Lx為相電感；Nx為繞組有效匝數；Λm為電機主磁路對應的磁導。

當繞組有效匝數一定時，繞組的電感和主磁路磁導成正比，無刷直流電動機的氣隙磁導相對較小，主要為鐵心磁導，因此繞組電感近似與電機鐵心磁導率μ成正比[9]。硅鋼片的磁化曲線和磁導率曲線的關系如圖1所示。

圖1 磁化曲線和磁導率曲線關系圖

由圖1可知，硅鋼片的磁化曲線是非線性的，但其一般工作在最大磁導率右側，因此如果如圖2(a)所示的定子和轉子相對位置處于順磁方向，則磁導率下降，電感減小，相應的電流變化率增大。如果如圖2(b)所示的兩者處于逆磁方向，則磁導率上升，電感增加，相應的電流變化率減小。

(a) 順磁方向

(b) 逆磁方向

根據以上分析，可以通過施加短時檢測脈沖的方法，來確定相應的電流變化率。將電流變化率逆推回去，可以準確地確定轉子所處位置范圍，實現電機的零速起動。

2 無位置傳感器無刷直流電動機起動新方法的實現

無位置傳感器無刷直流電動機定位起動包括以下3個步驟。第一，定位轉子的初始位置；第二，在轉子緩慢加速過程中對其進行再次定位；第三，在電機運行中的狀態切換。在定位轉子的初始位置時，首先設定電流采樣點的看門狗電壓閾值，接著按圖3將檢測脈沖電壓A(+)B(-)C(-)施加到電機上。在打開看門狗定時器的同時，不斷對采集的電流進行A/D轉換。當電流檢測模塊輸出的電壓值超過看門狗閾值電壓后，記錄下此時的定時器數值Tp1。當整個檢測結束后，再得到一個峰值電流Ip1。最后利用式(4)，記錄此次加載的電流變化率ΔIp1：

(4)

接下來按同樣方法將檢測脈沖電壓B(+)C(+)A(-)施加到電機上，并記錄此次的計數器值Tp2，峰值電流Ip2以及電流變化率ΔIp2。

假設轉子位置如圖3所示，當按照A(+)B(-)C(-)通電時，轉子磁勢將對定子磁勢產生去磁作用，電感增加，電流變化率減小。

按照B(+)C(+)A(-)通電則效果正好相反。實際測量可得ΔIp1<ΔIp2。這樣進一步逆推回去，可以將轉子位置確定在180°的范圍內，如圖3陰影部分所示。

圖3 第一輪脈沖檢測

將轉子位置確定在180°的范圍內，還不能滿足要求。為了實現更精確定位，按照上述方法再次施加C(+)A(-)B(-)和A(+)B(+)C(-)兩個檢測脈沖，最終記錄下ΔIp3和ΔIp4，通過比較兩者的值再逆推回去，就可以將轉子確定在新的180°范圍內，如圖4(a)所示。綜合前兩個脈沖的檢測，則可以把轉子位置確定在120°范圍內，如圖4(b)所示。

(a) 檢測確定區域

(b) 綜合后確定區域

最后繼續按照上述方法，施加B(+)A(-)C(-)和A(+)C(+)B(-)兩個檢測脈沖，記錄下ΔIp5和ΔIp6。通過比較兩者的大小再逆推回去，將轉子確定在新的180°范圍內，如圖5(a)所示。綜合前3個脈沖的檢測，最終把轉子位置確定在60°范圍以內，如圖5(b)所示，從而完成轉子的初始定位過程。

(a) 檢測確定區域

(b) 綜合后確定區域

在確定轉子初始位置后，需要確定對應導通的電機相線來進行加速，通過列表方式，將初始位置和導通相線對應起來。對于每次比較的電流變化率，若ΔIpn>ΔIp(n+1)(n=1,2,3)，則將相應的Pn(n=1,2,3)置1，否則為0，從而有P1，P2，P3的組合值，來確定比較結果。根據比較結果，確定轉子位置，并列出需要導通的電機相線，如表1所示。

表1 轉子位置與起動輸出表

確定好需要導通的相線后，則進入轉子加速階段。傳統方法通常繼續發出6個脈沖來檢測當前轉子位置，而通過觀察表1我們可知，電機每運行過一個位置，P1，P2，P3可僅有一個值會改變。所以，在對電機轉子進行再次定位時，僅需要判斷P1，P2，P3中的某一個值是否變化即可確定轉子的當前位置。例如，轉子初始位置為(30°～90°)P1，P2，P3的組合值為001。所以，第一個驅動脈沖完成之后，只需發出檢測P1對應的2個檢測脈沖，判斷P1是否發生變化，若P1發生變化，電機導通的相線由A-b變化為A-c。隨著加速的逐步完成，反電勢建立后便可完全切入反電勢運行狀態，完成電機的起動。

3 實驗結果

本文在基于STM32F031的無刷直流電動機實驗平臺上進行了實驗，驗證了本文提出的無位置傳感器無刷直流電動機的控制方法。實驗用無刷直流電動機參數如表2所示。

首先測試了轉速響應情況。圖6(a)為有傳感器狀態下的轉速響應曲線。圖6(b)為采用本文的改進型脈沖檢測法的轉速響應曲線。通過對比可知，使用本文的改進型脈沖檢測法可以實現額定負載情況下正常起動，并且在起動完成后可以順暢地切換到反電勢運行狀態，并能較快穩定于額定轉速。

表2 實驗電機參數

(a) 有傳感器運行速度曲線

(b) 改進型脈沖檢測法速度曲線

接下來對兩種情況的起動電流波形進行對比。圖7(a)為有傳感器情況起動電流波形，圖7(b)為采用改進型脈沖檢測法的起動電流波形。可以看出，采用本文的起動方法，電流沒有傳統三段式起動的明顯抬升或異常。

(a) 有傳感器電流波形

(b) 改進型脈沖檢測法電流波形

由上述分析可得，本文的起動方法能夠準確判斷出起動時轉子的初始位置，并順利加速運行，實現電機的正常起動。

4 結 語

本文提出的無傳感器無刷直流電動機起動方法，改進了傳統電感法比較電流峰值的方法，提高了轉子初始位置估計的準確度。在加速階段減少了注入脈沖的數量，有效地簡化了加速階段的處理，提高了起動可靠性。同時，該方法可以有效地解決當前采用的多數反電勢技術中存在的問題，并改善在無位置傳感器的無刷直流電動機起動技術中電機轉子初始位置難以估計及零速起動等問題。

考慮到電機制作時工藝的限制，各相繞組的電感和電阻值與理論值之間會有一定的偏差，對電流的檢測值會產生一定影響，進而影響定位精度。為此，需要對改進型脈沖檢測法做進一步的研究。可以通過在線測量電機繞組的電感和電阻，來補償與理論值之間的誤差，從而提高該方法的適配性。總之，該方法當前可以實現高精度的無傳感器無刷直流電動機的起動和運轉。隨著在該方向的深入研究，該起動控制方法的可用范圍將逐步擴大。

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