无刷直流电机无位置传感器控制系统研究

无刷直流电机无位置传感器控制系统研究

王现东

身份证号码： 13053219860216****

摘要：无刷直流电机运行状态稳定、动态性能良好，被广泛应用于多个行业领域中。位置传感器是无刷直流电机的重要组成部分，它被用来检测转子的位置，但它的存在使得电机体积增大、故障率升高，在一定程度上限制了无刷直流电机的应用。随着科技的发展和社会的进步，无位置传感器控制技术应运而生，与之相关的研究受到科研工作者越来越多的关注。目前，反电动势法是无位置传感器控制技术最常用的方法，但这种方法在电机启动过程中存在着转子位置检测困难等问题。为此，本文对无位置传感器启动控制系统展开研究。

关键词：无刷直流电机；无位置传感器；控制系统；研究

1无刷直流电机工作原理 　　无刷直流电机主要由电枢绕组、永磁体、定子、转子、电子换向器等结构组成，其中电枢绕组组装在定子上，永磁体磁极组装在转子上，电子换的应用使传统电机的电刷和换向器不复存在。根据应用场合的不同，电机绕组的相数可以不尽相同，转子对数也有多种形式，绕组的连接可以采用星型和封闭型两种，但由于封闭绕组具有较高的损耗，效率也不高，因此大部分无刷直流电机的绕组采用星型连接。不同型号的电子换相器可能具有不同的结构形式，因此又有桥式换向器和非桥式换向器的区分，其中非桥式换向器结构简单、成本较低，但由于效率不高，实际很少应用，故格式换向器是主流。 　　电流经过某相定子时会产生逆变交流信号，交流信号在气隙的作用下感应出旋转磁场推动转子运动。传感器实时测量转子位置并将功率开关管有序导通，驱动电机持续运转。根据转子位置和换相关系的不同，功率开关管的导通或截止相序也不同，从而控制电机的正转或反转。

2无位置检测方法设计

在众多的无位置检测技术中，应用最广泛的是反电动势过零点检测法。无刷直流电机的反电动势波形图如图1所示。从图中可以看出，每相反电动势信号在 1 个周期内，有2次过零点，出现在每次换相后30°电角度，过零点后再延迟30°电角度的时间就是下一个换相点。因此可以通过检测反电动势过零点的方法控制换向。根据无刷直流电机数学模型可知，反电动势是否过零点，可以通过比较未导通相端电压和中性点电压来获得。但一般情况下星形连接的无刷直流电动机中性点没有引出，这时需要人为的构造一虚拟中性点。

图1 无刷直流电机的反电动势波形图

通过人为构造中性点，可以检测出反电动势过零点，但此信号不能直接送入控制器。在电机的转动过程中，PWM斩波作用和绕组上的电流变化，使得端电压信号中含有噪声，将造成反电动势检测误差，甚至换相错误和堵转，所以必须在软件和硬件上对这些干扰信号进行滤波，以获准确的反电动势信号。另外由于电动机转速很高，产生很高的反电动势，必须对检测到的信号做降压处理，达到控制器所允许的电压量范围。因此设计反电动势过零检测电路如图2所示。

图2 反电动势过零检测电路

由于硬件原因，不可避免的产生相位延迟，有必要对相位进行补偿。电动机每次换相步进60°，换相发生在反电动势过0点后延迟 30°+ k × 60° (k= 0 ,1,2,3,…) 电角度时间的时刻，换相的时刻取决于延迟换相角度φ，其值可根据设计的电路参数在软件中实时计算得出。当φ ≤ 30°时，取 k= 0，此时在反电动势过零点后，延迟对应（30° - φ）的电角度的时间开始换相。当30°＜φ ≤ 90°时，取k= 1，此时在反电动势过零点后，延迟对应（90°- φ）的电角度的时间开始换相。按照上述的补偿原则，可以解决信号的移相问题。

3 无位置传感器无刷直流电机控制系统硬件设计

3.1 核心控制电路

核 心 控 制 电 路 组 成， 主 控 制 芯 片 选 择dsPIC30F4011 单片机，外加复位电路与时钟电路，构成单片机最小应用系统。 dsPIC30F4011 通过对输入信号的分析和计算，输出主功率电路的 PWM 触发信号，达到控制电机的目的。复位电路为单片机提供复位信号，复位引脚低电平有效，二极管 D8 用于在电路断电后对电容进行快速放电，避免电路中出现静电故障。时钟电路与 OSC1 和 OSC2 引脚相连，为单片机提供稳定的时序， dsPIC30F4011 和同系列单片机最大可接10MHz 的晶振。

3.2 主功率电路

主功率电路， 24V 直流电压通过逆变电路逆变成方波交流电压，送到无刷直流电机三相绕组，驱动无刷直流电机转动。主功率电路由 6 个 IRF640MOS 管组成，核心控制电路发出的 PWM 信号通过驱动电路处理后送到 6 个 MOS管栅极，控制 MOS 管的通断。 6 个 MOS 管采用两两导通方式，按照设定的顺序导通，实现对电机启动和换相运行控制。

3.3 反电势过零点检测电路

外围控制电路，包括反电势过零点检测电路、电压电流检测电路、隔离与驱动电路，此处主要介绍反电势过零点检测电路的设计。无位置传感器时，要判断转子换相位置，可通过检测反电势过零点，再滞后 30o 电角度获得换相位置。但是无中性点引出的星型绕组，无法直接测量反电势，可通过测量端电压间接测得反电势过零点。反电势过零点检测电路，a 相～ c 相端电压经过

R65 ～ R70 组成的分压电路及电容 C46 ～ C48 组成的滤波电路，得到缩小的模拟端电压，再经过星形电阻网络 R71 ～ R73 的续流与电容 C49的去耦，模拟出电机三相中性点电压。将缩小的模拟端电压接入四路电压比较器 LM339 的同相端，模拟中性点电压接入LM339 的反向端进行比较。当同相端电压大于反向端电压时，LM339 输出高电位，反之输出零电位， LM339 输出的高、低电位经过光耦隔离后送入主控制器 dsPIC30F4011，控制器可以算得电机反电势过零点时刻，进而推知转子换相时刻。

3.4 系统软件设计

系统控制算法根据 DSP 特有的编译工具 CCS6.2 版本进行编写，其主要包含主函数结构、直流母线电压 A/D 采样、电流 A/D 采样、转子初始位置检测、软件升压升频、捕获模块配置、串口通信、故障保护、功率模块保护、back-EMF 过零点检测、相位误差补偿、定时器配置、PWM 配置及调制等。程序初始运行时需要对相关函数程序及各个输入输出端口进行配置，并检测是否过压情况等，不断检测电流零漂值，同时使能限流充电模块，进行软启动，等待后续中断。初始时刻开始对 BLDCM 的初始位置进行识别，作用相应的电压矢量，再通过 ADC 采样 DC 电压对最大电流幅值进行检测，找到转子对应的位置区间，继而打开对应的功率管启动 BLDCM。定位阶段顺利执行后，程序继而切入到加速期间。根据校正后电机的升压升频曲线按照相应的换相顺序轮流导通相应功率管并增大 PWM 脉宽调制，同时不断减小换相时间间隔保证电机顺利加速。加速至期望速度以后，开启捕获中断实时捕获，当通过多次且稳定地获取 back-EMF 信号以后，系统切换到自动运行状态，再经过相应的相位补偿，即得到电机最佳换相时刻的逻辑状态。

4结束语 　　电机作为一种机电能量的转换装置，广泛地应用在很多的领域中，例如：汽车行业、军用工业、航空航天、日常生活电器等。早期工业上的电机大多数是用直流电机，直流电机具有启动和调速性能好、调速范围广、过载能力强、转矩比较大等优点。但因其造价昂贵，维护困难、寿命短等缺点，极大地影响了它的应用场合。随着电力电子技术和自控技术的发展，直流电机逐渐被交流感应电机所取代，与直流电机相比，交流感应电机的结构坚固、体积小、维护简单、成本比较低。随着无刷直流电机应用领域的不断扩展，对无刷直流电机调速性能要求也越来越高，除了提高对无刷直流电机制造工艺外，合理的控制策略也能提高系统的控制精度。传统的PID调速性能好、动态响应快，但对一些高精度的场合PID控制就显得无力了。随着自控技术的发展，神经元网络控制、变结构控制、参数自适应控制等控制技术逐步应用到无刷直流电机上，并取得了良好的调速效果。 　　参考文献

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