基于外转子正弦波多对极电机的无位置传感器伺服系统

任虹霞，李 杨，郭 斌

(西安微电机研究所，西安 710077)

0 引 言

近年来世界各国都在大力发展多旋翼无人机(以下简称无人机)，无论是在军事方面还是在民用方面都得到了广泛的应用。多旋翼无人机动力系统由电机、电调和螺旋桨构成。其中电调和电机是无人机动力的核心，对无人机的整体稳定性和动态特性起着关键的作用。电调就是无人机电机的伺服驱动系统，至今该伺服驱动系统发展已历经了三代。第一代无刷驱动系统就是以无刷直流(Brushless Direct Current, BLDC)电机为载体的方波驱动系统，通过检测反电动势的过零点进行换相控制，调节PWM占空比得到可调电压，对电机进行调速，但由于其转矩脉动大，所以催生了第二代驱动系统；第二代驱动系统是以BLDC电机为载体的正弦波驱动系统，代表作有大疆的E800、E310等；随着无人机行业应用的拓展，如植保无人机、物流无人机的出现，催生了第三代驱动系统；第三代驱动系统就是以PMSM(Permanent Magnet Synchronous)电机为载体的FOC(Field Oriented Control)磁场定向驱动系统。FOC驱动系统从根本上解决了动力系统的输出转矩脉动、换相堵转以及动态响应等问题，能够满足重载高性能无人机的动力需求。

1 基于单电阻检测的转子位置估计方法

1.1 转子位置估计的基本原理

执行FOC算法时，需要检测电机转子位置和速度。在无人机上使用的伺服驱动系统为了满足恶劣环境下使用及低成本条件，采用无位置控制PMSM。国内外学者对PMSM的无位置传感器控制技术提出了各种转子位置估算的方法。文献【1】提出了适合高速运行的磁链位置估算法，模型参考位置估计算法，基于状态观测器的位置估算法，文献【2】提出了适用于低速和停止状态的位置检测方法，高频注入法和脉振高频信号注入法。这类方法在电机三相绕组注入特定的电压(电流)信号，利用电机的凸极性，从反馈电压(电流)中分离出转子位置信息，能够较好的实现低速和零速下的转子位置估计，但是只适用于内嵌式磁钢的永磁同步电机。

在无人机上使用的电机是多对极表贴磁钢的永磁同步电机，且对于零速和低速要求较低，本文选择了锁相环加磁链位置估算的结构为基础的无位置控制策略。

永磁同步电机的绕组电压方程在α-β坐标轴的表达式整理为

(1)

故在α-β坐标系下的电压和电流值可计算得到转子的反电动势，对转子的反电动势积分可以得到转子磁链。由于纯积分环节很难实现转子磁链的准确估算，本文采用的IRMCF341芯片提出了使用改进的积分器进行位置估算，改进后的传递函数为

(2)

其中，Tf=RC，电容的隔直功能可以滤掉直流分量和低频干扰信号。可以有效抑制直流偏移量的影响。然后将估算出来的转子磁链信息通过一个锁相环得到转子的角度信息，其框图如图1所示。

图1 锁相环结构框图

输入信号及输出信号经过锁相环的鉴相器得到

(3)

再经过环路滤波器后可得

(4)

其中，

(5)

θe(t)=sin[(ωIN-ωOUT)t+θIN-k0uc(t)/p]

(6)

式中，θe(t)为瞬时相差，其中Δω0=ωIN-ω0是固有频差；而k0uc(t)为控制频差；令F(S)=1,则式(4)转换为uc(t)=kdΔθ(t)带入上式且求导可得

Δθ=Δω0-KΔθ(t)

(7)

式中，K=kdk0,解方程得到

(8)

通过实际转子位置θr和转子角度的估计值θe的差Δθ，通过锁相环后得到高精度的转子速度ωe和角位置θe。

1.2 单电阻采样电流重构

伺服驱动系统中一般通过采样绕组的电流值获取ia，ib，ic信息，然后根据CLARK变换获得iα和iβ电流，但是这种方法成本高，在本文的方案中采用了单电阻采样母线电流，然后重构相电流，这种技术的最大好处是降低成本，且使电路简化,但难点是对硬件线路板设计要求较高。在采用IRMCF341控制的方案中，单电阻采样电路的设计决定了整个系统是否能成功实现。采样时刻的选择对整个系统的性能也有重要作用。

利用当前PWM对应的电路状态，采用合适的延迟时间避开母线电流振荡采到真实的母线电流，再将采到的各个时刻的电流按SVPWM的时序进行重组即可得到三相电流。根据逆变器输出的电压矢量图，可以看到在1区，PWM和母线电流的对应关系如图2所示。

图2 1区的栅极驱动电路波形

电机电流重构电路在PWM周期的有效矢量期间测量直流母线电流。当施加电压矢量V1时，电流从正母线进入U相绕组，然后通过V相绕组和W相绕组返回负母线。在图2中，从正母线来的直流电流等于U相电流。当施加V2矢量时，回到负母线的直流电流等于W相电流。因此，在每个区间，可以测量到两相电流，第三相电流值可以计算出来，因为三相电流之和为零。

2 驱动系统的硬件设计

2.1 IRMCF341简介

IRMCF341是美国国际整流器(IR)新推出的针对变频家电无传感器控制应用的高性能低成本电机控制IC。它采用最先进的基于磁场定位的矢量控制技术，利用单电阻电流采样即可实现电机的三相电流重构,从而实现了FOC电流环和速度环双闭环矢量控制，驱动方式为180°正弦波。IRMCF341内含2个高性能的处理引擎，一个是8位高速8051核，另一个是用于电机无传感器控制的16位电机控制引擎(MCE)。8051核的执行速度为每两个系统时钟一个指令(如：60MIPS@120MHz系统时钟)。8051核和MCE处理器:之间可以通过双端口RAM交换数据从而实现数据监视和指令输入的功能。MCE包含了基于硬件电路控制电机所需的所有控制资源，如PI调节器、矢量旋转、角度估计器、乘法/除法器、低损耗SVPWM以及单电阻电流采样/重构等等。复杂的无传感器控制算法中的关键要素(如：角度估计器)全部是已经定义好的控制模块，用户可以通过使用与Matlab/Simulink环境无缝连接的图形化编译器来设计自己的电机控制算法(在Matlab/Simulink环境下通过连接各单元功能模块并编译即可)。

2.2 驱动系统的主控电路的设计

主控芯片采用IRMCF341,晶振采用的是4M的无源晶振，通过芯片内部的锁相环设置为50 MHz的工作频率，由于IRMCF341不具备片上的EEPROM所以在外围设计了存储程序和存储数据的两片EEPROM，驱动上电后自动从程序EEPROM将程序加载至片内的RAM中，母线电流的检测结果除了直接接入芯片内部运放进行电流重构外，还设计了一个比较器，对电流进行保护，当电流超出保护值外，输出一个信号将PWM的输出关闭，图3为主控电路图。

图3 主控电路

2.3 驱动系统的功率逆变电路的设计

图4为功率逆变电路的原理图，本文采用了低压MOSFET构成的三相逆变桥，逆变桥上的浮动电压由自举电容提供，采用IRS2103作为前级驱动芯片，运行前3个下管同时开通给自举电容充电，给上桥臂提供电源电压，使用这种方案的好处是减少了开关电源独立电源的个数，大大降低了成本和复杂性。

图4 三相逆变桥

3 试验结果及分析

本实验采用800 W外转子正弦波多对极永磁同步电机,额定电流是15 A,额定转速3000 r/min，22对极，电压输入采用DC24V单相电源。因为电机的极对数较多，PWM的斩波频率选择了20 kHz，保证重构出的相电流波形正弦性良好。

图5为监测得到转速和W相电流波形；图6为示波器监测的母线电流波形，都是在系统实际运行测量的波形。

图5 3000 r/min转速和电流波形

图6 母线电流波形

根据图5可看到，在额定负载下2.54 Nm的情况下，电机运行平稳，相电流波形良好。

4 结 语

本文对无位置正弦波伺服驱动系统在无人机上的应用进行了研究，分析了各种无位置转子估算方法的优缺点，分析了单电阻采样电流重构的原理，并推导了锁相环的数学模型。在此基础上利用IRMCF341设计了无位置伺服驱动系统，经过试验验证，解决了BLDC电机力矩波动大，换相堵转的问题并且成本低，具有实际应用价值。