无刷直流电机无位置传感器控制系统仿真及试验研究

焦晓雷，高延丽，潘 劲

(1.南瑞集团公司，江苏 南京 210003;2.湖南电力公司检修分公司，湖南 长沙 410012)

0 引言

传统直流电机采用电刷以机械方式换向，因而存在噪声、火花和无线电干扰等问题，而且制造成本高、维修比较困难。无刷直流电机(Brushless DC Motor，BLDCM)用电子换向替代传统直流电机的机械换向装置，使其同时具有了传统直流电机易于控制，以及异步电机结构简单、成本低的优点，从而在航空航天、数控机床、机器人、办公自动化等许多领域得到了广泛应用[1]。但是，传统的BLDCM一般采用外置式位置传感器对转子位置信号进行检测，不仅会使电机的成本增加、结构复杂、体积与重量增大，同时也会降低电机的运行可靠性，大大增加了电机的生产和维修的难度[2]。因此，研究BLDCM无位置传感器控制技术是目前的一个重要方向[3]。

本文首先建立了BLDCM的数学模型，分析了BLDCM无位置传感器的工作原理，建立了BLDCM的仿真模型，最后通过试验验证了所搭建BLDCM无位置传感器控制系统的有效性和准确性。

1 无位置传感器BLDCM工作原理

1.1 BLDCM的数学模型

采用具有梯形反电动势的BLDCM，三相桥式Y形联接，120°两两导通方式。其中假设BLDCM在工作过程中磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，三相绕组完全对称。BLDCM等效主电路原理如图1所示。

图1 BLDCM等效主电路图

在此电路拓扑结构下，BLDCM的三相电压子系统数学模型为

式中:Ua，Ub，Uc——三相定子绕组输入端对地参考电压;

ia，ib，ic——定子绕组相电流;

ea，eb，ec——定子绕组反电动势;

R——定子绕组相电阻;

L——绕组电感;

Ls——每相绕组自感;

M——每两相绕组间互感;

U0——中点电压。

BLDCM运动子系统数学模型为

式中:ω——转子机械角速度;

Te、TL——电磁转矩，负载转矩;

J——转子的转动惯量;

Bv——黏滞摩擦系数。

1.2 BLDCM无位置传感器工作原理

BLDCM的位置检测方法主要有:端电压积分法、电压检测法、电流检测法、三次谐波电压检测法、反电动势法等。本文采用的是线反电动势过零点检测法。

BLDCM采用的是两两导通方式，所以在每一刻只有两相导通，这两相电流大小相等方向相反，另一相相电流为零，所以三相电流的总和为零，当电机只有两相导通时，将式(1)中三式相加可得

电机的线反电动势为

由式(4)和式(5)可知，电机转子位置与电机相反电动势和线反电动势密切相关。相反电动势过零点作30°电角度的延时，就是电流的换相点。线反电动势的过零点则直接就是换相点，不需要再作任何延时。图2为相反电动势、线反电动势与电机转子换相点的示意图。由图可知，线反电动势与电机转子位置的关系比相反电动势与电机转子位置的关系更直观。

图2 相反电动势、线反电动势与电机转子换相点关系示意图

2 BLDCM无位置传感器控制系统仿真分析

无位置传感器电机模型中没有传感器模型，换相信号由线反电动势过零点检测法得到。但是反电势法在电机起步阶段并不适用，本文仿真系统中采用三段位起动法[4]，起动阶段结束后，通过切换开关切换至普通的PI控制。

基于上文分析，通过MATLAB搭建无位置传感器BLDCM的仿真模型。模型中主要包括BLDCM本体模块、电压逆变模块、电机起动模块、相电压采集模块、速度控制模块等。仿真中电机模型采用参数如下:额定电压UN=500 V;额定转矩TN=3 N·m;额定转速nN=3 000 r/min。

图3为利用三段位起动法得到的电机转子位置电角度图，可见在电机起动阶段，电机转速在不断上升。

图3 电机起动阶段转子位置电角度

图4 为线反电动势与各个时刻换相点之间的关系。可见，结果与前文理论分析一致，三个线反电动势的过零点，就是换相点。

图4 电机三相线反电动势与换相点

图5 为电机空载下的转速响应曲线。由图可知，利用“三段式”方法起动，转速能够在较短时间内跟踪给定转速，达到较理想的起动效果。起动完毕后，系统通过切换开关切换到电流和转速双闭环PI控制，能够达到较理想的控制效果。

图5 电机转速响应曲线

3 无位置传感器控制系统试验分析

基于美国TI公司高性能数字信号处理器TMS320F2812搭建BLDCM无位置传感器控制系统，主要由主电路、采样电路、驱动电路和保护电路等组成。系统的硬件控制框图如图6所示。

图6 硬件控制系统框图

主控制板由DSP2812和外围电路组成，完成控制算法，输出驱动信号，对输出输入信号进行处理;电流采样电路采用外部AD芯片AD7864;驱动板电路的核心部分是功率管MOSFET和驱动芯片构成的逆变装置，通过接收DSP发出的6路PWM信号，并把PWM信号加上专门的驱动电路构成MOSFET的控制电路。TMS320F2812主频高达150 M，其高速计算性能为实现实时智能控制算法提供了良好的平台，而且系统的控制精度高，抗干扰能力较强。

试验用BLDCM参数如表1所示。

表1 试验电机参数表

图7为电机空载运行时AB线电压的波形。因为系统在采样时加了滤波电容，故图中的电压波形没有出现二极管续流引起的脉冲。

图7 AB两相线电压波形图

图8 为空载时VT1功率管的PWM驱动信号波形。通过反电动势确定转子位置信号后，经变换得到的VT1功率管的PWM驱动信号波形。

图8 空载时VT1功率管的PWM换相信号波形

从图7和图8可看出，在电机空载运行过程中，本文设计的控制系统能够比较准确的预测转子的位置信号，从而为电机提供准确的换相信息，电机运行情况平稳。

4 结语

本文主要研究BLDCM无位置传感器控制系统，通过理论分析和试验验证得出了以下结论:

(1)采用DSP实现了BLDCM无位置传感器控制，控制系统结构简单、速度快、便于扩展，同时由于DSP优异的控制性能和速度，系统还可以实现更为复杂的控制算法。

(2)采用线反电动势法在线电压与转子位置之间建立了联系，大大简化了系统分析的计算难度。同时，系统能够较准确地检测到转子的位置信号，并能为电机提供准确的换相信号。试验运行结果与仿真波形一致，证明了所设计系统的有效性和合理性。

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