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摘要：对BLDCM进行控制的关键就是如何精确估计转子位置，其中反电势算法是应用最广泛的转子位置估计方法。本文在此基础上提出一种全新的反电势逻辑检测及判断电路，以高性能AD芯片、单片机、可编程逻辑器件（FPGA）作为换相控制系统，采用数字信号处理的方式控制电机换相。重点分析了传统换相控制中偏离“最佳换相逻辑”的原因，并提出了相应的补偿方法。根据设计的BLDCM数学模型，利用Xilinx System Generator/SIMLINK工具，采用PWM闭环调速的方法，对BLDCM的换相和调速环节进行建模，通过仿真实验证明具有很好的换相功能。
关键词：转子位置估计算法；无位置传感器；无刷直流电机；反电势；FPGA
1 引言
无刷直流电机（BLDCM-Brushless Direct current motor）利用BLDCM进行控制的关键是如何精确估计转子位置。反电势算法是应用最广泛的一种方法，其精髓是在反电动势过零点进行换相控制，但是用BLDCM控制的集成电路[1]的可扩展性和通用性较低，适用于低压、小功率领域。本文以MCU+FPGA方式组成控制系统的核心，利用FPGA强大的数字逻辑功能，分担MCU的逻辑运算压力，使MCU和FPGA的功能都得到了最大程度的发挥。
2.无位置传感器的转子位置估计法
本文的主要研究是在目前流行的各种无位置估计算法中综合比较后，提出了一种新的无位置传感器的转子估计算法。
（1）经典的反电动势法算法
基本原理是通过测量三相端电压来检测反电势过零点。这是因为桥式逆变器在任意时刻只有二相导通，另一相处于断开状态，此时断开相绕组的相电压就是端电压反电势[2]。当端点电位与中性点电位相等时，则此时反电动势为过零点，根据此时刻再延时30°电角度功率管换向。
（2）新型的转子位置算法
本文提出一种基于反电动势参量的位置算法，不是直接去测量反电动势的值，而是将其使用高速的数字处理器对其进行高频采样，将其量化为数字信号，通过对采集的数字信号的进行处理，得出反电动势参数值的变化过程，从而判断出最佳换相点。其实，使用数字信号的处理方式就是对原始信号的放大和滤波。此时的控制逻辑为：
首先，对某一段时间内（00≤wt≤3300）对所采集的数据找出最大值和最小值点，为下一次的极值判断作标准；其次，通过算法找出这段时间内的过零点数据。
判断换相的逻辑[4][5]：
（1）第一次换相发生的时刻点是在：EC（C相电压）等于最低值并且Eb（B相电压）等于最低值并且Ea（A相电压）等于最高值；（2）第二次换相发生的时刻点是在：EC等于最低值并且Eb等于最高值并且Ea等于最高值；（3）第三次换相发生的时刻点是在：EC等于最低值并且Eb等于最高值并且Ea等于最低值；（4）第四次换相发生的时刻点是在：EC等于最高值并且Eb等于最高值并且Ea等于最低值；（5）第五次换相发生的时刻点是在：EC等于最高值并且Eb等于最低值并且Ea等于最低值；（6）第六次换相发生的时刻点是在：EC等于最高值并且Eb等于最低值并且Ea等于最高值。
系统控制结构图如图2所示。反电动势检测电路根据电机端电压获取3路位置信号，将信号送入高性能AD，AD将转换的数字送入FPGA和FLASH，FPGA在MCU的控制下对采集的数据进行最大最小值以及零值进行算法判断，从而得出最佳换相点，FLASH负责存储采集的数值。MCU对FPGA判断出的换相点进行软件移相后得到3路换相信号，控制PWM的输出；由FPGA进行逻辑解码后输出6路驱动开关管的前极信号，以控制各开关管的导通与关断。
图 2 改进型转子位置算法控制系统形示意图
判断最大值最小值的逻辑：
AD转换在高频时钟下将反电动势转换成数字量，以A相的反电动势为例，假设最大值为0xFE，最小值为0x01，采样的频率为反电动势频率的103倍，FPGA根据当前的AD采样而来的16数值连续与下10个时钟周期的数值进行比较，若其连续大于相邻的数值，则认为是最大值点；若其连续小于相邻的数值，则认为是最小值点，如图3。
图 3 反电动势最大最小值判断示意图
3 MATLAB仿真验证
为了验证算法的合理性，在MATLAB里进行了仿真验证。为了软硬件的协同仿真验证，XILINX和MATLAB联合开发了system generator仿真工具。最大值最小值判断电路的设计是采用verilog语言开发在FPGA上的。电机的模型的构建是使用simlink来完成的。
图 4 BLDCM转速仿真结果图 图 5 BLDCM绕组相电压仿真结果图
图 6 BLDCM电流波形仿真结果图
针对额定电压为220 V，给定转速为1000 r/min，定子绕组为0.5 Ω，自感为0.65 mH，互感为1.44 mH，极对数为1的电机进行仿真，在0.5 s，1.5 s时系统给定转速突变为1200 r/min，800 r/min，得到的转子转速、绕组相电压、电流波形如图4、图5、图6 所示。从仿真结果来看，与理论分析基本一致。
4 总结
无刷直流电机无位置传感器控制方法有许多种控制方式，本文提出的转子位置算法相比于传统的算法：（1）由于采用FPGA作为控制器，其算法执行速度快，换相产生的延迟小；（2）采用高速率高灵敏的AD芯片作为采样器，可以准确的将模拟信号转换为数字信号；（3）本文提出的转子位置算法无需将反电动势信号延迟300处理，减小了移相误差；（4）使用16位数字信号衡量电压信号，即将其放大了216倍。
参考文献：
[1]Micro Linear.Sensor less Smart-Start BLDC PWM Motor Controller[M].1997，1～16
[2] 林征宇，吴建德.基于 DSP 带同步锁相的逆变器控制[J]．电力电子技术，2001，24（2）：24-26
[3] 盖格DF．直流电动机速度控制锁相环路[M] ．北京：科学出版社．1985
[4] 冯培悌，舒振杰，郑吉.永磁无刷直流电机的无位置传感器的控制技术[J ].机电一体化，2001，5.
[5] Implementation of a senseless speed cont rolled brushless DC drive using TMS320 F240 [J ]，Literature Number：BPRA072，1997，11.
论文作者:王美,包春红
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/6
标签：电动势论文; 转子论文; 算法论文; 位置论文; 最高值论文; 是在论文; 相电压论文; 《电力设备》2018年第21期论文;