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（上海交通大學(xué)電子通信工程系，上海 200072）  謝亦峰，賀永剛，耿相銘

謝亦峰

女，江蘇泰興人，上海交通大學(xué)在讀碩士研究生，專業(yè)為通信與信息工程。

1  引言

    近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及新型元器件和磁性材料（如MOSFET、IGBT、以及釤鈷合金、釹鐵硼等）的發(fā)展，BLDC（Brushless Direct Current，即無刷直流）電機以其獨特的體積小、重量輕、效率高、力矩大、調(diào)速性能好等優(yōu)點在人造衛(wèi)星、數(shù)控機床、機器人、電動車輛、家電等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是無位置傳感器的BLDC電機調(diào)速技術(shù)更是受到業(yè)界的青睞[1][2]。

    傳統(tǒng)的永磁BLDC電機均需一個附加的位置傳感器，用以向逆變橋提供必要的換向信號，它的存在給BLDC電機的應(yīng)用帶來很多的缺陷與不便：(1) 位置傳感器會增加電機的體積和成本；(2) 連線眾多的位置傳感器會降低電機運行的可靠性，即便是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區(qū)；(3) 在某些惡劣的工作環(huán)境中，如在密封的空調(diào)壓縮機中，由于很高的工作溫度，位置傳感器無法正常工作[1]。此外，傳感器的安裝精度還會影響電機的運行性能，增加生產(chǎn)的工藝難度。針對位置傳感器所帶來的種種不利影響，近一二十年來，無位置傳感器BLDC控制一直是國內(nèi)外較為熱門的研究課題。為了實現(xiàn)無位置傳感器BLDC控制，人們做了大量的研究，設(shè)計了很多轉(zhuǎn)子位置控制電路及信號處理方法。“反電勢過零點控制法”是迄今為止最成熟、最有效，也是最常見和應(yīng)用最為廣泛的一種轉(zhuǎn)子位置信號控制方法。文獻[3][4]中，均采用硬件實現(xiàn)方法，其實現(xiàn)原理是斷開相的端電壓直接與直流電壓的一半通過硬件比較器進行比較，這種方法能夠達(dá)到較好的結(jié)果，但是如果直流電壓不成比例的變化，過零點就會漂移，導(dǎo)致很難在可測量速度范圍內(nèi)確定有效的換向時序。況且，他們的方法較傳統(tǒng)，過零控制中均采用硬件比較器，換向時序控制靈活性較差。本文提出一種新的反電勢過零點控制法，即用軟件實現(xiàn)方法，硬件平臺中無需比較器。該方法確定過零點靈活性較大，且可以加入數(shù)字濾波器以濾除高頻開關(guān)導(dǎo)致的干擾信號，電機運行穩(wěn)定。

2  軟件法實現(xiàn)BEMF過零控制思路

    無位置傳感器BLDC電機控制研究的核心和關(guān)鍵就是架構(gòu)一轉(zhuǎn)子位置信號控制電路，從軟硬件兩個方面來間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號，借以觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的功率器件，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。反電動勢法是其中的一種，這種方法的基本原理就是在忽略永磁BLDC電機電樞反應(yīng)影響的前提下，通過控制“斷開相”（逆變橋上下功率器件皆處于關(guān)斷的那一相）的反電勢過零點，來依次得到轉(zhuǎn)子的六個關(guān)鍵位置信號，并以此作為參考依據(jù)，輪流觸發(fā)導(dǎo)通六個功率管，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)[5]。

    軟件法思想如下：運用高速在芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換器，直接連續(xù)讀取反電動勢信號并與對應(yīng)零點的數(shù)字值比較，這種方法確定過零點靈活性較大，且可以加入數(shù)字濾波器以濾除高頻開關(guān)導(dǎo)致的干擾信號，如圖1所示。

圖1  無位置傳感器BLDC電機控制系統(tǒng)框圖

3  軟件法實現(xiàn)過零控制原理分析

    如圖1所示，對于理想電機：Ra=Rb=Rc=R    La=Lb=Lc=L  (1)

    對于A相：Vn=VDC-i?R-L?di/dt-ea     (2)

    對于B相：Vn=i?R+L?di/dt-eb   (3)

    由上(2)(3)兩式得：Vn=(VDC-(ea+eb))/2      (4)

    由于ea+eb+ec=0      (5)

    所以Vn=(VDC+ec)/2   (6)

    可得端電壓與反電動勢關(guān)系為：       (7)

    反電動勢過零控制方程為：          (8)

    由(8)式可知，在PWM關(guān)閉期間，不通電相端電壓等于電源電壓一半時，該時刻即為反電動勢過零點時刻。

4  過零控制軟件設(shè)計

    本系統(tǒng)工作時鐘為14.7456MHz，PWM開關(guān)頻率為12kHz。程序包括主程序、電機起動定位程序、過零控制程序、換向程序、速度控制程序等。

    4.1  過零控制軟件設(shè)計策略應(yīng)注意如下幾點：

    (1)  換相后，延遲反電動勢過零控制，根據(jù)應(yīng)用一般延遲1～2個PWM周期的時間，以降低PWM噪聲的影響；

    (2)  反電動勢轉(zhuǎn)換結(jié)果進行脈沖干擾濾除處理，本文采用4級滾動平均濾波；

    (3)  動態(tài)補償電動勢過零點漂移，補償方案見表1；

    (4)  過零比較起始點的確定，本文采用500RPM，包含容差處理；

    (5) 過零確認(rèn)，消抖動處理。

    4.2  過零控制程序流程圖如圖2所示

圖2  過零控制程序流程圖

    4.3  本實驗A、B相端電壓波形如圖3所示

通道1、3分別為A、B相端電壓波形，通道2為BEMF波形

    圖3  本實驗端電壓波形

5  結(jié)語

    反電勢法原理簡單，實現(xiàn)相對方便，是目前應(yīng)用最多的一種無位置傳感器的位置控制方法，但這種方法也有兩個難點，即：起動困難和誤差補償。當(dāng)電機靜止時或轉(zhuǎn)速較低時，反電勢為零或很小，很難通過反電勢過零點控制來得到正確的位置信號，方法不當(dāng)很容易造成電機失步、起動失敗。此外，反電勢法因為忽略了電樞反應(yīng)對氣隙合成磁場的影響，故在原理上就存在一定的誤差。電機轉(zhuǎn)速越低，誤差就越大，所以在反電勢法的BLDC電機的無位置傳感器控制中，必須要有一定的誤差補償措施。本文提出的控制方法，很好的解決了上述問題。通過實驗表明，該方法能夠使得電機低速運行到800轉(zhuǎn)/秒，多種起動控制方法保證了電機起動平穩(wěn)，利用軟件法過零控制方法，容易實現(xiàn)誤差補償，使得電機運行平穩(wěn)。本文提出的設(shè)計思路和方法可以為同步電機控制借鑒，具有廣闊的應(yīng)用前景。

    其他作者：賀永剛，男，江蘇建湖人，碩士，專業(yè)為檢測；耿相銘，男，高工，專業(yè)為通信與信息工程。

參考文獻
[1]  陳國呈. 新型電力電子變換技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2004.
[2]  張琛. BLDC電機原理及應(yīng)用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1996.
[3]  J.Shao, D.Nolan, and T.Hopkins,