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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(jī)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(jī)床、機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的體積和成本；(2) 連線眾多的位置傳感器會降低電機(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)的運(yùn)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(xiàn)[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(jìn)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(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。

    軟件法思想如下：運(yùn)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(jī)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(jī)：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(jī)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(jìn)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(bǔ)償電動勢過零點漂移，補(bǔ)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(bǔ)償。當(dāng)電機(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速越低，誤差就越大，所以在反電勢法的BLDC電機(jī)的無位置傳感器控制中，必須要有一定的誤差補(bǔ)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(jī)低速運(yùn)行到800轉(zhuǎn)/秒，多種起動控制方法保證了電機(jī)起動平穩(wěn)，利用軟件法過零控制方法，容易實現(xiàn)誤差補(bǔ)償，使得電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。本文提出的設(shè)計思路和方法可以為同步電機(jī)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(xiàn)
[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(jī)原理及應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1996.
[3]  J.Shao, D.Nolan, and T.Hopkins,