王满粮
佛山市顺德区金泰德胜电机有限公司
摘要：基于无位置传感器控制设计了一种可应用于三相直流无刷电机的驱动控制器，采用反电动势法检测转子位置，梯形波驱动控制方式实现ＢＬＤＣ电机的启转、运行。介绍了ＢＬＤＣ运行原理及实现无位置传感控制方法，探讨了如何选择最佳调制方式及电机速度最快时的换相时机，并优化了调制方法。本文设计的控制器具有启转顺、加速快、防输出短路等特点，适用于多种高低速、高低电压ＢＬＤＣ。
关键词：无位置传感器控制；ＢＬＤＣ；ＩＧＢＴ
引言
无刷直流电机具有结构本身相对简单、控制系统设计方便、运行稳定、维护成本低、功率密度高、调速性好等优点，已经在伺服控制、精密电子、办公自动化、医疗器械、家用电器、工业工控等行业内得到了广泛的应用。传统的无刷直流电动机需要安装位置传感器，从而得到转子位置信号对三相绕组进行换相控制。然而位置传感器的安装不但增加了系统自身的尺寸，使内部结构变得复杂，同时增加了成本，特别在高温、高湿等恶劣的工作环境下，传感器信号线容易受外界信号干扰，系统可靠性降低。因此，无刷直流电动机无位置传感器闭环控制是目前研究的热点，并成为控制系统的一个重要发展方向。
1ＢＬＤＣ控制原理
无刷电机主要由旋转的永磁体（转子）和三组均匀分布的线圈（Ａ、Ｂ、Ｃ定子）组成，线圈包围着定子被固定在外部。电流流经线圈产生磁场，三组磁场相互叠加形成一个矢量磁场，矢量磁场作用在转子上，使转子旋转。
1.1驱动控制方式
本文设计的控制器采用的驱动方法是两两导通三相六状态。其工作原理是通过逆变功率开关管按一定的规律导通和关断，使电机定子电枢绕组中产生按某一电角度不断步进的旋转磁场，永磁体在磁场中受力旋转。在顺时针旋转的情况下，完整的一个周期换相顺序应为ＡＢ→ＡＣ→ＢＣ→ＢＡ→ＣＡ→ＣＢ→ＡＢ。
1.2转子位置确定
1.2.1ＢＬＤＣ反电动势
控制器采用两两导通三相六状态方式控制无刷电机，其导通相与感生电动势的关系如图２所示。三相绕组中，任意时刻总有一相处于断开状态，该断开相的反电动势总会有过零点产生。
1.2.2直接反电势过零法
由于ＢＬＤＣ反电动势的过零点与换相时机有图２所示的关系，因此只要在检测到断开相反电动势的过零点之后３０°电角度时，依照开关管导通顺序进行换相，即可控制电机的正常运转。本设计采用直接反电势过零法测断开相的反电动势过零点，所谓直接反电势法，又叫九电阻法测过零点，即将断开相的反电动势波形通过９个电阻处理后接入ＭＩＮＩ５１芯片内部的过零比较器，单片机测得接入相的过零点，并在得到过零点之后延时一定电角度再进行换相控制。
1.3ＢＬＤＣ的调速
由直流无刷电动机的基本原理可知，改变加在电机绕组两端的电压可以改变电机的转速，即改变加在直流无刷电动机绕组上的ＰＷＭ信号的占空比就可以实现电机的调速。
2控制器硬件设计
2.1电路结构
本控制器的使用对象是无位置传感器的直流无刷电机，其内部绕组是三相星形连接，采用三相星形全桥驱动、两两导通三相六状态的工作方式。６个ＰＷＭ输出连接到３对ＩＧＢＴ驱动器（ＦＤ２５０１），最终连接到６个ＩＧＢＴ（ＳＭ４０２３），ＢＬＤＣ电机绕组以三相桥式连接到这些ＩＧＢＴ。同时，九电阻测电机的反电动势过零点。
设计中采用的驱动芯片ＦＤ２５０１是一个内置欠压保护功能的高电压、高速栅极驱动器，ＭＯＳ管型号为ＳＭ４０２３，其ＶＤＳ最大承载电压可至４０Ｖ，低频时漏极持续电流ＩＤ可达３１Ａ，满足大功率驱动控制器的设计需求。
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2.2九电阻电路
在本设计中采用直接反电势过零法获得电机的反电动势零点，以实现无位置传感器的控制，过零检测电路由９个电阻组成，具体接法如图４所示，ＡＣＭＰ＿Ｐ、ＡＣＭＰ＿Ｎ为过零比较器的Ｐ、Ｎ端，Ａ、Ｂ、Ｃ为电机的三相绕组端。由于采用２４Ｖ电源的电机，鉴于主控芯片电源为５Ｖ的限制，从三相绕组接下来的电阻阻值选取１０ｋΩ与１ｋΩ的比值，可有效检测反电动势的过零点。
３控制器软件设计
3.1控制流程
本文设计的控制器包括高速和低速两个档位，具有欠压保护和防输出短路功能。程序初始化之后在主函数里检测欠压及目标速度标志，进行欠压保护及电机速度的控制。换相动作及定时器数值的更新在定时器Ｔｉｍｅｒ１中断里进行。
3.2电机启动设计
电机上电后根据初始状态决定如何进行启转，具体分为以下两种情况：
3.2.1静止启转
ＢＬＤＣ转起来才能检测到过零，本设计中首次通电换相时间取６０ｍｓ。线圈若刚好对准永磁体，通电时间再长也不会转，因此在Ｔｉｍｅｒ１中断中，若超时２倍换相时间仍未检测到过零，就不再等待，直接换下一相。静止加速时采用三段式启动法，它分为预定位、外同步加速、自同步３个阶段。预定位阶段采用预先给任意两相定子绕组通电，利用合成定子磁势把转子轴线拖到与合成磁势重合的位置。外同步加速阶段通过控制占空比增量逐渐提高电机外同步状态外施电压，使电机转速不断增大，直至反电动势增大到可以检测出来的时候切换到自同步状态。
3.2.2非静止启转
启转前若ＢＬＤＣ已经在转，测到过零点后延时半个周期或立即从下一相通电，就可以直接顺畅启转。本设计通过测某一断开相是否有周期过零事件来判断电机是否在转，如测到断开相周期性的过零事件，说明电机在转动，只需按顺序从下一相通电便可使电机继续旋转。
４调制方法优化
4.1最佳ＰＷＭ调制方式
现有的ＢＬＤＣ调制方式有ＰＷＭ＿ＯＮ、ＯＮ＿ＰＷＭ、Ｈ＿ＰＷＭ－Ｌ＿ＯＮ、Ｈ＿ＯＮ－Ｌ＿ＰＷＭ、Ｈ＿ＰＷＭ－Ｌ＿ＰＷＭ这５种调制方式，５种调制方式的区别在于开关管的损耗及电机的电磁转矩脉动不同。所谓的转矩脉动是在电机转动的过程中，瞬时输出力矩随时间不断变化，但是却围绕某一平均值上下变动的现象。
在ＰＷＭ＿ＯＮ调制方式下功率管开关次数最少，６个功率管的开关损耗得到均匀分配，同时在换相过程中产生的转矩脉动最小，与其他４种调制方式相比具有更好的控制效果。因此本设计采用ＰＷＭ＿ＯＮ调制方式，即在开关管导通的１２０°期间，前６０°进行ＰＷＭ调制，后６０°保持恒通。
4.2高速运转
磁铁的旋转是连续的，电压最大的位置是定子矢量磁场，比磁铁超前９０°。此时供电电压比磁铁超前９０°，力矩和效率是最佳的，弦波驱动方式就是让电磁场总是与磁铁成９０°，方波驱动方式只能让电磁场与磁铁的夹角在９０°的前后３０°范围内变化。
过零检测后再延时一半时间换相，刚好前后各３０°，当二者夹角不是９０°时，可以把电磁场（或磁铁）作９０°分解，分解成一个水平分量，一个垂直分量。当夹角小于９０°时，分解合成的结果相当于磁铁磁性增强了，所以转矩会增大，转速会降低。夹角大于９０°时，分解合成的结果相当于磁铁磁性减弱了，电机转矩会减小，但是转速会加快。
结语
本文对基于无位置传感器控制设计的三相ＢＬＤＣ控制器的实现及调制优化进行了详细的介绍，并对在梯形波下控制器如何达到电机的最快转速作了理论和实际验证。由于ＢＬＤＣ使用的广泛性，好的ＢＬＤＣ控制器也就显得尤为重要。本文实现的控制器从电机启转到电机运行及保护考虑得非常全面，代码编程并配合相关硬件，可设计出适用于多种ＢＬＤＣ的可靠控制器。
参考文献
［1］吴强，熊浩，孟光伟，等．三相永磁无刷电机起动控制研究［Ｊ］．船电技术，２０１１，３１（９）：６－１０．
［2］孙心华．三相直流无刷电机控制系统设计［Ｄ］．广州：广东工业大学，２００８．
论文作者:王满粮
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
标签：电机论文; 电动势论文; 绕组论文; 控制器论文; 位置论文; 零点论文; 方式论文; 《中国西部科技》2019年第21期论文;