李自成 程善美 秦实宏 蔡凯
(1武汉工程大学电气信息学院，湖北武汉430073;2华中科技大学控制科学与工程系，湖北武汉430074)
摘要：在传统的反电动势过零硬件检测 无刷直流电机转子位置方法的基础上，利用检测的任意丽路线电压信号来实时计算相反电动势过零信号，从而得到其过零点，再延迟30度电角度即为实际的换相信号.基于该反电动势软件计算法构建了无刷直流电机无位置传感器控制调速系统，仿真和试验均表明：该系统能够准确估算换相信号，具有较好的动、静态特性和抗负载扰动能力。 关键词：无刷直流电机；无位置传感器；调速；数字信号处理器中图分类号：TM 301.2：TM 33 文献标志码：A 文章编号：1673—6540(2010)08-0029-03
0 引 言
永磁无刷电机根据转子磁钢结构和定子绕组形式的不同分为具有正弦波反电动势的永磁同步电机和具有梯形波反电动势的无刷直流电机两大类一。一般采用三相六状态120.导通方式，在一个电周期内需要六个关键的换相信号，因此转子位置检测必不可少。通常采用三个霍尔传感器来得到六个转子位置信号。此外对于高精度的伺服控制领域，还需要光电码盘来得到更高精度的位置和转速信息。位置传感器的使用无疑会增大电机本体的成本和体积，并降低系统运行的可靠性。因此，对无位置传感器控制BLDCM调速系统的研究具有重要的实际意义.
目前，反电动势法是转子位置检测的主要方法之一，该方法基于不导通相反电动势过零点与换相位置相差30度电角度原理，一般通过硬件方式直接检测不导通相反电动势过零得到换相信号。本文通过检测任意两路线电压，经软件计算，可得到不导通相反电动势过零点，再延迟30度即为实际的换相时刻，从而实现BLDCM无位置传感器调速系统。
1 反电动势过零检测原理BLDCM控制系统一般采用三相电压源型逆变器，其主电路如图1所示。
假设BLDCM三相绕组对称，忽略齿槽效应和磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗，不考虑电枢反应，气隙磁场近似梯形波，以电机绕组中点n为参考点，电机三相绕组的相电压方程可表示为
在三相六状态120度导通方式下，每时刻只有两相导通，如果忽略由于脉宽调制引起的第：相电流续流，以Vt1和Vt6导通为例，则a、b两相电流大小相等，方向相反，c相电流为0,由式(1)可得：
2 无位置传感器控制系统结构图2为BLDCM无位置传感器控制系统结构框图，控制器采用Microchip公司的高性价比数字信号处理器(Digital signal Processing,DSP)芯片dsPIC30F6010,主要负责电机转子初始位置确定及起动加速控制策略，转子位置的实时检测和转速的计算，电机实时控制等。逆变器采用三菱IPM模块PM30CSJ060.
在上述硬件设计中，线电压信号的获取将直接影响无位置传感器控制系统的性能。由式(5)、(6)可知，需要用电压传感器测量两路线电压Uab和Ubc，第三路线电压Uca=一(Uab+Ubc)得剑，而电压传感器测量的信号中含有较多的PWM高频噪声信号。因此，需要滤波电路对电压传感器得到的信号进行处理后再送λ到DSP的AD转换器通道，设计滤波电路时既要使高频信号尽可能滤除掉，又要使相移尽量小。图3为采用一阶低通滤波器和二阶低通滤波器串联后得到的滤波电路。
3 仿真和试验结果分析基于以上理沦分析，采用本文提出的转子位置检测方法对BLDCM无位置传感器控制系统进行仿真和试验。仿真基于MATLAB/Simulink进行整个控制系统的搭建，仿真中用到的电机参数如下：定子电阻2.875η，定子自感8.5mH,定子问互感1.6mH，电机极对数为4.图4为给定转速500r/min起动并在0.3s突加0.6N.m负载得到的转速、电流和转矩仿真波形，由图可看出采用反电动势法进行元位置传感器控制时具有较强的带负载能力。
试验时分别进行了无位置传感器控制和带霍尔传感器控制，并对两者试验进行了对比。图5为给定转速由400r/min突变为1600r/min条件下有位置传感器和无位置传感器控制得到的转速波形.由于采用相同的PI参数，因此在转速给定突变时，两种控制方式下得到的实际转速波形大体一致.
图6和图7分别为给定转速1000r/min时，在有位置传感器和无位置传感器控制下突加负载得到的转速和电流波形。采用无位置传感器控制在突加负载时转速变化要稍大于带位器传感器控制，但转速稳态波形要优于带位置传感器控制，这主要是由于实际的霍尔传感器安装时本身就存在误差，说明采用本文拦出的无位嚣传感器控制策略具有较强的抗负载扰动能力。
4 结 语：本文通过测量BLDCM的任意两路线电压来检测反电动势过零点，从而能准确获得无刷BLDCM的转子位置换相信号.该方法结构简单，无需虚构电机中点，也不需要深度滤波电路，仿真和试验结果均表明，采用本文提出的BLDCM无位置传感器控制策略可以保证系统的转速转矩特性，适用于通用的BLDCM调速系统应用场合。 |
