关键词：无刷直流电机(BLDCM)；无位置传感器；反电动势过零检测法；双闭环控制
引言
随着电力电子技术和新型永磁材料的出现以及生产过程中对电机性能要求的不断提高，无刷直流电机的应用范围越来越广泛[1]。传统的无刷直流电机控制器采用霍尔传感器检测转子位置信号，这种方式既增加了电机布线和重量，还使电机易受环境干扰而无法正常工作，因此研究无位置传感器控制方法，增加其应用范围显得极其重要[2]。无刷直流电机采用去掉霍尔传感器，通过检测定子电流、电压或磁链等物理量实现转子位置估计，避免了位置传感器带来的各种缺点。检测方式一般分为反电动势法、状态观测器法、磁链法和神经网络法等[3]。以检测电机转动过程中产生的反电动势作为换向信号，使用LPC2148芯片为核心，设计了一种无位置传感器无刷直流电机控制器，软件实现双闭环控制，降低了设计开发成本。
1、无位置检测方法设计
无刷直流电机具有结构简单、重量轻、体积小、安全可靠性和运行效率高等特点，被广泛应用于各种工业设备中。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。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[5]。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。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。
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[9]。按照上述的补偿原则，可以解决信号的移相问题。本文滤波电路设计成使反电动势信号移相30°的电路，获得反电动势过零信号后延迟对应（30°-φ）的电角度的时间开始换相，实现对电机的控制。
2、主要电路设计
设计采用速度、电流双闭环控制策略，需采集绕组的相电流，同时为保护电路，设置一给定值，当电流超过给定值时，控制器关闭开关管。一般情况下，功率开关器件采用MOSFET和GTR，对于较大容量的电机则采用IGBT或IPM模块。为满足所设计的控制器具有体积小、重量轻、结构简单以及可靠性高的要求，选择METOSF管作为功率开关管。控制器输出的PWM控制信号不能直接输入到功率开关管，要经过驱动电路中光电耦合器件进行指令传输，以抑制强电侧对控制，电路的干扰。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆通常驱动电路有3种形式：（1）用各个分立的元件组构成驱动电路，这种电路的结构复杂，稳定性较差；（2）由专用的驱动芯片来构成驱动电路，其结构简单，可靠性高，易于调试和实现；（3）使用专用的智能功率模块，将功率开关元件包含其中，且具有信号处理、故障检测的集成电路[11]。为使控制器低成本、结构紧凑、可靠性高，选用驱动芯片MP6530作为驱动电路。
3、起动方式的设计
电机结构确定时反电动势的大小与电机转子转速有关，转速确定，反电动势也随即确定。但当电机处于静止或转速过低时，产生的反电动势很小，无法确定转子位置信息，也就无法实现电机自起动，如若起动方法不当，可能会导致电机失步或反转，因此需要特殊的方式解决起动问题。常采用的起动方法包括升频升压法、预定位法、三段式起动法[12]。本文采用“三段式起动法”，保证了起动电流小，转向可控，又能在达到可检测到反电动势时自动换相，该方法包括转子预定位，变加速阶段和自同步转换阶段。
3.1转子预定位
转子预定位即在电机起动时按预置方式通电使转子确定在一个固定的位置，即两相绕组短时间通电产生一个合成的磁场，转子在这个合成磁场的作用下会转动到合成磁场的轴线上，转子的位置不确定，若转子磁势与定子绕组磁势夹角为180°，电磁转矩为零，电机处于非稳定的平衡状态，为避免出现这种情况，需再换相2次定位解决，即第一次定位后，按转动方向再导通相邻绕组。用这种方式，可根据负载的实际情况来确定通电时间和两次定位的时间间隔。
3.2变加速阶段
在转子预定位后，需要按照一定的换相规律对功率管轮流导通，逐步提高PWM的占空比使电机较快速的加速到预设速度，预设速度的大小按照易于检测到反电动势信号的速度的原则设置。变加速运行阶段是一个开环运动阶段，转子是否到达了相应的换相位置是不确定的，因此，在加速时应通过合理控制电压大小，使电动机的换相位置接近最佳的换相逻辑。为能够有最佳换相的时机，结合电动机调节特性曲线和分析计算的结果进行相应的处理。
3.3变加速阶段到自同步的切换
电机达到预设速度后切换到自同步运行状态，实现速度电流双闭环控制，增加电机稳定性。本文选择最高速度的5%～10%时进行切换。
4、实验平台的搭建
搭建实验平台，通过非接触式速度检测仪对电机转速进行采样。从实验数据中可以看出，将电源电压逐渐调高，在电压达到10.00V时电机开始转动，继续加压，转速不断增加。当电压达到其额定电压24V后，转速达到9489/rpm。电机以额定电压全速起动时，约6s转速达到额定转速9500r/min，实验数据与仿真结果吻合，验证了
本文设计的控制器的可靠性。
5、结束语
设计了一种无位置传感器无刷直流电机控制器，给出了起动困难问题解决方案。针对无位置检测方法和起动策略进行了深入的分析，采用反电动势过零检测法和三段式起动，设计了查表补偿相位延迟，减小了由计算量带来的不必要的时间延迟。设计了硬件电路和软件程序，搭建了控制器仿真模型和实验平台，经过实验验证，所设计的控制器结构合理，能够快速起动，运行平稳，具有实用性。
参考文献：
［1］罗斌.无感无刷直流电机控制器的研究［D］.长沙：湖南大学，2016.
［2］陶跃进，邓斌，余丹，羊乃淋.永磁无刷直流电机无位置传感器技术研究［J］.计算技术与自动化，2017，36（03）：68-74.
［3］杨影，俞志轩，阮毅.基于反电动势的无刷直流电机无位置传感器控制技术综述［J］.微电机，2011，44（02）：84-88.
［4］李奎，杨中华，叶劲峰.一种无位置传感器无刷直流电机控制器设计［J］.微电机，2016，49（04）：67-71.
［5］曹宇轩，寇子明，赵亮吉.无刷直流电机无位置传感器控制系统研究［J］.煤炭技术，2017，36（08）：218-220.
论文作者:倪泽鹏
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年11期
论文发表时间:2019/12/2
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