十二状态无刷直流电机控制研究

张卫丰

（深圳信息职业技术学院 电子与通信学院，广东 深圳 518172）

十二状态无刷直流电机控制研究

张卫丰

（深圳信息职业技术学院 电子与通信学院，广东 深圳 518172）

利用相序图，阐述了无刷直流电机两相三相轮流导通十二状态控制方法。借助Ansoft软件，对两相三相轮流导通十二状态控制法和两相导通六状态控制法进行了仿真分析，仿真结果表明，十二状态控制法，电机相电压更接近正弦波，电流谐波较小。利用75W电机进行了对比实验，实验结果显示十二状态控制法，电机电流接近正弦波形，而两相导通六状态控制法为梯形，十二状态控制法电机性能优于两相导通六状态控制法。

十二状态控制、无刷直流电机、六状态控制

无刷直流电机（Brushless Direct Current (BLDC) motors，BLDCM）不用电刷来换向，而是采用电子换向。与有刷直流电机以及感应电机相比，具有好的转速—转矩特性、动态响应快、高效率、寿命长、噪音低、宽转速范围等优点。同时，由于其输出转矩与电机体积之比更高，使之在空间与重量要求较高应用中，大有用武之地。它是一种正快速普及的电机，将广泛应用于家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等领域[1-2]。

BLDC电机控制上一般采用两相导通六状态控制法[3-4]。该控制方法电路简单，控制方便，但电机相电压为方波，电流谐波和转矩脉动较大。

近年来，为进一步提高BLDC电机系统性能，许多学者都将研究重点转移到提高其效率，降低噪音和转矩脉动等准正弦波和正弦波驱动方向。因此，准正弦波和正弦波驱动直流电机将是BLDC电机控制的趋势[2,5-6]。

基于此，本文提出了一种十二状态控制法，与两相导通六状态控制方法相比，该控制法相电压更接近于正弦波形，电流脉动较小，功率密度增加，是无刷直流电机更为理想的控制方式。

1 十二状态控制逻辑时序分析与仿真

直流无刷电机控制中，采用的三相全桥主电路及框图均如图1所示。传统方波控制中，电机以三相六状态运行，每一时刻，均有两相绕组通电，一个电周期中，有6个通电状态，具体通电规律如表1所示（以顺时针方向为例）。

图1 BLDC 驱动主电路及控制框图Fig.1 Driving circuit and control block diagram of BLDC

表1 三相绕组通电顺利（顺时针）Tab.1 Sequence of windings for rotating the motor in clockwise direction

十二状态控制方式，一个电周期内共有12个通电状态，如图2所示。图中，Ha、Hb、Hc为霍尔传感器信号，U、V、W为马达三相端电压，Uo为第一相绕组相电压。在30～60°、90～120°、150～180°、210～240°、270～300°、330～360°内导通绕组与两相导通六状态相同，而0～30°、60～90°、120～150°、180～210°、240～270°、300～330°为相序变化的交界状态，处于交界状态的绕组导通电压为处于导通中间状态的绕组电压的一半，这样得到的相电流或电压更接近于正弦波。

图2 十二状态相序逻辑图Fig.2 Phase sequence diagram of twelve -step commutation control

图3为Ansoft仿真相电压与十二状态逻辑相电压的对比波形（绿线为逻辑电压），图4为Ansoft仿真相电压与两相导通六状态逻辑相电压的对比波形（蓝线为逻辑电压）。可以看出两相三相轮流导通十二状态输出电压波形比两相导通六状态更接近正弦波。

图3 Ansoft仿真相电压与十二状态逻辑相电压图Fig.3 Ansoft simulation phase voltage waveform and logic phase voltage waveform of twelve -step control

图4 Ansoft仿真相电压与两相导通六状态逻辑相电压图Fig.4 Ansoft simulation phase voltage waveform and logic phase voltage waveform of six-step control

在直流无刷马达控制中，三个霍尔传感器，共有6个状态，分别在0°、60°、120°、180°、240°、300°状态发生改变，对应于六状态控制法的六个换相点。相对于两相六状态控制法，十二状态控制法比六状态控制法逻辑复杂。在十二状态控制法中，需要的换相点有：0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°。其中，30°、90°、150°、210°、270°、330°换相点不能由硬件完成，需要MCU定时器在霍尔传感器六状态控制的基础上定时30°来实现。即检测到霍尔信号变化后，处理完成本扇区的换相外，还需为下一个扇区进行定时。

2 对比实验

为了实验对比，我们制作了额定电压45V，功率75W的BLDC样机。实验中，分别采用两相三相轮流导通十二状态控制法和两相导通六状态控制法对此样机在空载条件下进行控制，实验测得的相电流波形如图5、图6所示。

图5 十二状态控制电流波形Fig.5 Winding current waveform of twelve-step commutation control

图6 两相导通六状态控制电流波形Fig.6 Winding current waveform of six -step commutation control

从图5、图6可以看出，在相同负载条件下，十二状态控制算法电流波形接近正弦波形，而两相导通六状态控制法电流波形呈梯形，从实验中振动及噪音情况来看，十二状态控制算法的振动和噪音都要优于两相导通六状态控制法，实验结果和理论分析及仿真分析结果一致。

3 结论

分析了两相三相轮流导通十二状态控制方法，仿真结果证明，十二状态控制方法相电压为4个阶梯的梯形波，比六状态2个阶梯的梯形波更接近正弦波，电流脉动更小。实际控制中，可通过MCU定时器实现两相三相轮流导通十二状态控制法的换相控制。对比实验结果表明，十二状态控制算法电流波形接近正弦波形，而两相导通六状态控制法电流波形呈梯形，十二状态控制算法电机振动及噪音均优于两相导通六状态控制法，为工程应用提供了借鉴。

（Reference）

[1]刘吉超,李巴津,叶文伟,等.新型汽车空调用无刷直流鼓风机控制算法设计[J].微电机，2013,46(2)：55-58.LIU Jichao,LI Bajin,YE Wenwei,et al.A New Car Airconditioning Brushless DC Blower Motor Control Algorithm Design[J].Micromotors,2013,46(2)：55-58.(in Chinese)

[2]王会明,丁学明.无刷直流电机正弦波控制及其在电动自行车中的应用[J].测控技术：2013，32(7):74-78.WANG Huiming,DING Xueming.Sine Wave Breshless DC Motor Control and its Application in Electric Bicycle[J].Measurement &Control Technology,2013，32(7):74-78.(in Chinese)

[3]姚德新,刘卫国,谭博,等.方波无刷直流电动机不导通相电流分析[J].微电机，2009,42(7):33-35.YAO Dex in,LIU Weiguo,TAN Bo,et al.Analysis on Nonconduction Phase Current of Square-wave Brushless DC Motor[J].Micromotors,2009,42(7):33-35.(in Chinese)

[4]吴兴波,赵亮,袁旭.小功率三相六状态无刷直流电机控制系统的设计[J].吉林化工学院学报，2013,30(7):49-53.WU Xingbo,ZHAO Liang,YUAN Xu.Design of a Low Power Control System about Three-phase Six State of Brushless DC Motor[J].Journal of Jilin Institute of Chemical Technology,2013,30(7):49-53.(in Chinese)

[5]周美兰,高肇明,吴晓刚,等.五种PWM 方式对直流无刷电机系统换相转矩脉动的影响[J].电机与控制学报,2013,17(7):15-21.ZHOU Meilan,GAO Zhaoming,WU Xiaogang,et al.Influence of five kinds of PWM on commutation torque ripples in BLDCM control system[J].Electric Machines and Control,2013,17(7):15-21.(in Chinese)

[6]冯楠,方卫,郗珂庆,等.正弦波直流无刷电机数字控制系统研究[J].2011,44(8):72-74.FENG Nan,FANG Wei,XI Keqing，et al.Study on the Sinusoidal BLDC Digital Control System[J].Micromotors,2011,44(8):72-74.(in Chinese)

Twelve-step commutation control of BLDC motor

ZHANG Weifeng
（Shenzhen Institute of Information Technology，Shenzhen 518172,P.R.China）

The 12-step congtrol of Brushless Direct Current (BLDC) motors with two-phase stator windings and three-phase stator windings alternating conduction is described by phase sequence diagram .The 12-step commutation control with two-phase stator windings and three-phase stator windings alternating conduction and the 6-step commutation control with two-phase stator windings conduction are simulated using the Ansoft.The simulation results show that the phase voltage waveform of 12-step commutation control is approximatively sinusoidal and the current harmonics content is lower.The contrast experiment is done with the BLDC of 75W power.The results demonstrate that the phase current waveform of 12-step commutation control is approximatively sinusoidal and the phase current waveform of the 6-step commutation control is trapezoidal.So,the the BLDC performance of 12-step commutation control is better than the 6-step commutation control.

twelve-step commutation control;BLDC motor;six-step commutation control

TM33

A

1672-6332（2015）01-0022-04

【责任编辑：杨立衡】

2015-03-10

广东省自然科学基金博士启动项目（S2012040007242）；深圳市科技计划项目（JCYJ20140418100633638）；深圳信息职业技术学院科研项目（lg201420）及教学研究项目（JY2013110）

张卫丰（1978-），男（汉），湖北丹江口人，副教授，博士，主要研究方向：新型电源技术，电机控制及其功率变换技术。E-mail:zhangwf@sziit.edu.cn