高速无位置传感器无刷直流电动机控制系统

王家舜

(中国中煤平朔能源集团有限公司，朔州 036000)

0 引 言

近年来,随着新型永磁材料出现和电力电子发展,无刷直流电动机得到广泛使用。无刷直流电动机功率密度大、效率高、寿命长、可调速性优越，在工业控制、家用电器和电动工具等领域都有着较好的应用。无位置传感器无刷直流电动机控制相比于有位置传感器，其结构更加简单，成本更低，可以适应更复杂的环境，另外结合其抗干扰能力强，工艺难度低，控制器体积小等优点，它成为无刷直流电动机控制方面研究的热点[1-3]。

无位置传感器无刷直流电动机控制器主要技术研究点集中在初始位置检测、稳定起动、换相时间计算、过零点检测、转子位置检测和转矩脉动抑制等几个方面。文献[4-6]提出了三段式起动法，三段式起动法包括3个步骤：转子预定位、外同步加速和自同步，其实现方法是先任意导通定子的两相而另一相断开，然后以固定的换相时间表让电机的转子强制同步，最后通过自检测实现自动同步。三段式起动法的基本原理相对简单，但如果不通过更为复杂的处理方法，电机的起动过程会很不稳定，常出现反转和振荡问题。文献[7]提供了一种升压升频同步起动法，其通过硬件电路的设计来控制电压和频率的协调变化，以达到起动的目的，虽然这种升压升频同步起动法可以实现更广的工作范围，但是极容易受到外界干扰，造成换相滞后或超前，甚至失步情况。在换相时间计算与过零点检测方面，大多数的研究是基于反电动势来进行的，文献[8-10]提出以对称的端电压作为基准、非对称端电压的偏差作为反馈，形成一个闭环控制系统，实现相位实时矫正，从而改善电机运行性能。这种方法很大程度上提高了基于反电动势过零点检测技术的电机控制稳定性。

1 无刷直流电动机控制系统模型及原理

三相无刷直流电动机驱动电路为标准的三相两电平逆变电路，主电路结构为三相半桥式拓扑，如图1所示，包括三个桥臂，任意时刻都有两个开关管同时导通，且每个桥臂上下两个开关管不能同时导通。开关器件可以为IGBT或MOSFET等全控型电力电子开关器件，对于无刷直流电动机驱动控制而言，图1的电路共有6种工作控制状态，分别用S1～S6表示，每种控制状态对应两相桥臂中的两个功率器件动作，其余不控制的功率器件全部关断。即有： S1状态对应K2，K4导通； S2状态对应K3，K4导通； S3状态对应K3，K5导通； S4状态对应K1，K5导通；S5状态对应K1，K6导通； S6状态对应K2，K6导通。

图1 控制器功率驱动电路模块主电路图

这6种控制状态根据控制器处理的反电动势过零点换相信号来依次切换，控制器输出PWM开关信号，通过脉宽调制技术来控制功率器件的开、通关断状态，从而控制输出作用在电机绕组上的等效电压，通过电压来调节转速的目的。

图2是6种控制状态的相电压以及反电动势过零点的示意图。

图2 逆变电路6种工作状态下对应的

无位置传感器无刷直流电动机整体控制流程如图3所示，各阶段具体控制内容与方法如下。

在电机起动的第一阶段，控制器分别在持续极短的时间t内发送S1和S4状态的控制信号，此时电机转子定位至S4状态，完成电机转子定位，如图3中MN段。电机起动的第二阶段，从电机定位的S4状态起，按电机换相表顺序，控制器以一定的时间间隔依次发送S5、S6、S1、S2、S3……控制信号，并且时间间隔逐渐缩短，完成电机强制起动，并且转速稳步提高，如图3中NO段。电机起动的第三阶段，此时电机已通过第二阶段加速到一个较高的转速，电机反电动势基本保持稳定，可通过处理器清晰读取，此时，电机的换相不再通过延时时间间隔，而是通过反电动势过零点信号来判断，如图3中OP段。至此，电机由强制起动转换为自同步状态，电机起动完成。

图3 无位置传感器控制算法整体控制流程

2 过零点捕捉与抗干扰滤波软件算法

当电机以20 000 r/min左右的高速运行时，换相时间极短，这就要求过零点检测极其精确。当电机从图3中第二阶段强制起动切换到第三阶段时，转速会很快升高，此时利用微处理器多中断嵌套捕捉过零点。第三阶段的程序流程如图4所示，中断嵌套实现方式如图5所示，具体方法如下。

图4 过零点识别与换相时间计算程序流程图

图5 过零点识别与换相示意图

第一步，首先开启3号中断，并将电机起动第二阶段到第三阶段切换时的换相延时时间的一半(换相干扰时间)设置为3号中断的中断间隔计数时间。3号中断是用作计算每次电机换相的间隔时间的，并且在3号中断中开启1号中断。

第二步，在第一步中3号中断中开启的1号中断是一个执行频率足够高的中断，保证电机以额定高速运转时可以满足过零点检测精度。在1号中断的服务子程序中进行过零点检测，如果有过零点信号，则通过3号中断的计数器数值来计算换相时间，并将此值作为2号中断的中断计数目标值，关闭1号中断，开启2号中断。若在1号中断中未检测到过零点信号则直接退出1号中断。

第三步，2号中断计数到设定目标值后，进入2号中断服务子函数，此时到需要换相的时间，在2号中断服务子函数中做换相判断处理和状态确定，切换相序，输出对应的驱动信号，然后清除2号中断的计数器值并关闭，开启3号中断。

3 反电动势过零点检测电路设计

反电动势过零点检测电路作为无位置传感器无刷直流电动机控制器的关键电路模块，其设计将直接影响到电机运行的稳定性。文献[11]提出利用断开相的感应电动势与母线电压的二分之一比较，从而获得过零点信号。但在电机高速运行的情况下，断开相电压信号的采集频率，以及控制器的频率可能达不到要求。此外，随着信号频率的增加，控制器运行不稳定，尤其在恶劣环境下，其抗干扰能力会急剧下降。

为此，本文构建外部虚拟中性点，将三相电压引出后的合成电压与母线电压的分压值进行比较，得到过零点信号，以过零点信号的时间间隔来作为换相时间的判断，过零点检测等效电路图如图6所示。图6中，VM表示控制系统中直流母线电压，VA，VB，VC分别表示外部虚拟等效中性点电路中三相端电压，通过将合成电压的分压值与系统直流母线电压分压值进行比较，确定电机非控制相的反电动势是否过零点。原则上，在忽略干扰的情况下，每当有过零点动作时，比较器会输出过零点信号F0，控制器捕获F0信号，通过去干扰和滤波处理，为电机换相提供判断依据，实现无位置传感器的电机转子位置检测。

图6 过零点检测等效电路图

比较电路参数计算如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

I1+I2=I3+I4

(5)

将式(1)～式(4)代入式(5)可得：

(6)

变换后，可得V2：

(7)

把V1作为中性点，结合式(7)可以推算出：

(8)

(9)

如果把V2中性点当作VA，则有：

(10)

(11)

把设计的R1和R2值代入，再确定RA值后，即可计算出RB值。

4 实验验证

根据本文的控制系统设计方式，选用意法半导体8位微控制器STM8S为核心，搭建实验平台，实验所用电机额定电压110 V，额定功率200 W，额定转速20 000 r/min。图7为搭建完成的实验平台，包括设计的控制系统、无刷直流电动机、示波器Tektronix MDO3014、可调交流电源和电流探头TCPA300等。

图7 实验平台

实验验证电机可以平稳起起动，起动过程开关管PWM驱动信号如图8所示。

图8 电机起动时的三相驱动信号

电机转速到一定值后，反电动势足够大且较为稳定，能够被有效地检测到过零点，电机切换到自同步控制状态。图9为电机达到额定转速后三相相电压的波形，图10为电机稳定运行后三相相电压波形与三相合成电压波形，验证了三相电压合成后再获取反电动势理论的正确性、可行性。

图9 额定转速时三相电压波形

图10 平稳运行时三相电压与合成电压

测得A相和B相相电压与A相电流比较波形如图11所示，可以看出，在高速运行的情况下电压电流波形比较稳定，没有出现丢步，且有一定的抗干扰能力，经观察电机实际运行也非常稳定，在高转速情况下没有出现抖动的情况。

图11 相电压与相电流波形

5 结 语

实验表明，硬件过零点检测电路设计，结合软件多中断嵌套算法，能够对无刷直流电动机在高转速时的过零点进行精确判断，从而计算出精确的电机换相时间，本文在软件和硬件上对过零点检测的设计是可行有效的。另外从实验结果看出，软件中加入的抗干扰以及滤波算法，也很大程度地保证了电机的平稳运行。