无刷直流电机无位置传感器的优化控制方法_钟海峰.pdf

68|电子制作 2023 年 3 月信息工程0 引言近年来，无刷直流电机以其效率利用率高，环保性好，调速性能优异等，得到了越来越广泛的应用。无刷直流电动机的换相是电子控制的，其主要核心是其安装的位置传感器，根据位置传感器的准确性和使用寿命，外界环境等客观因素的影响会导致电机的成本和性能的波动。故其无位置传感器逐渐成为热点的研究话题之一。本文着重于无刷电机过反电动势零点问题和衍生出的换相启动问题进行分析，优化无位置传感器控制方法，简化剔除了滤波，模拟/数字转换器采样端电压等操作，以达到换相精准，稳定性好，简单迅速等目标。1 原理分析 1.1 无刷直流电机原理无刷直流电动机的控制框图如图 1 所示，由霍尔位置传感器信号，功率开关单元信号和控制单元组成。功率开关单元将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电机的定子各相绕组，使电动机产生持续不断地转矩，而功率开关单元的导通和其导通时间控制由霍尔传感器的信号来决定。此处将无刷直流电动机假设为星型接法，采用的是两两导通工作方式，每只开关管导通 120电角度，每隔 60电角度就有一个开关管关断，定一个开关管导通，即工作过程中一定有一个桥臂上的两个开关管灯关断，另外两个桥臂的上下桥臂只有一个开关管导通，同时不考虑集肤，磁滞效应等影响。其控制框图如图 1 所示。由相电压，相电流，反电动势和各绕组的自感互感关系，可以从无刷电机关断一相的端电压波来获取反电动势过零点等信息。根据文献 2 和图 1 可知各相端电压表达式：aabbcciiiaanbbnccndiURLeUdtdiURLeUdtdiURLeUdt=+|=+|=+|式(1)其中aU、bU、cU为电机的三相定子绕组的各端电压；smLLL=(sL为电机定子绕组自感，mL为电机定子绕组互感)；ia、ib、ic 分别为电机的三相定子相电流；ea、eb、ec 为电机三相绕组反电动势；nU为电机实际的中性点电位。1.2 反电动势过零分析系统运行时，假设 B 相上桥臂导通，C 相下桥臂导通，A 相处于断开状态。则有 BC 相通电，由(1)式可知此时的ABC 三相端电压关系变化为式(2)：abbcciianbbnccnUeUdiURLeUdtdiURLeUdt=+|=+|=+|式(2)此时为 BC 通电，就两者反电动势和电流之间的关系：bcee=式(3)iibc=式(4)综上(1)、(2)、(3)、(4)可得：1()2nbcUUU=+式(5)其实此时 B 相上桥臂在 PWM ON 时，图 1 的 VT3 和VT2 导通使bU和dU相同(dU为端电压幅值)，而cU为 0，则也会有：11()22nbcdUUUU=+=式(6)此时把式(5)代入式(2)中有：无刷直流电机无位置传感器的优化控制方法钟海峰，吴宇（江西理工大学 电气工程与自动化学院，江西赣州，341000）摘要：针对传统的无刷直流电机无位置传感器因滤波而产生的相位误差和电机三段启动繁琐困难等问题。提出了一种通过零点检测来进行绕组换相的控制方法，这一方法解决了传统控制方法的不足，提高了控制的准确性和降低了硬件的复杂性和成本。并且通过实验表明：此判断方法与真实的绕组导通情况和过零点情况一致，并且将与真实的有位置传感器情况下的电动机导通绕组及电动机反电动势和电流关系相对比，结果一致，说明本方法的正确性与可行性。关键词：无刷直流电机；反电动势过零点；无位置传感器控制；端电压检图 1 无刷直流电动机控制框图DOI:10.16589/11-3571/|69信息工程 1()2aabcUeUU=+式(7)以上式(6)和式(7)关系可知：在A相反电动势的为零时，则此时的端电压波形幅值正好为d/2U。所以由此原理可以推断出，在两两导通的模式下将中性点电压与未导通相的端电压对比可以确定反电动势的零点，因为此时中心点的电压nU就为d/2U。但是实际的中心点在电机结构内部，无法通过物理手段将其引出，所以我们需要在外部设计硬件电路模拟中性点，再将此模拟的中性点与检查反电动势做对比即可。故采用重构中性点方法来模拟，根据图 2运用叠加定理和结合式(1)可知重构中心点电压为：11()33sumabcxnUUUUeU=+=+式(8)其中xe为关断的 X 相对应的反电动势。则可推测关断电压的表达式：xxnUeU=+式(9)由(8)和(9)两个式子可知，xU 0 的时候，sumUxU，而反电动势检测电路输出低电平，而当xU 0 时，sumUxU，反电动势检测电路，输出为高电平，完成一个电平跳变。故用比较器检测反电动势检测电路的输出跳变就可以确定反电动势过零点的时刻。图 3 为设计的反电动势检测电路。图 4 为反电动势和各相比较器输出关系。图 3 反电动势过零点检测电路 1.3 电机启动分析以上分析可知能通过反电动势过零点信号来进行换相点的标记，从而进行换相，一般采用三步法启动，但是三步法启动电机时有转速脉动大等缺点。本文给出最多通过两个导通状态就能检测过零点信号，从而快速启动的方法，解决此问题。下面进行举例说明：此时转子的位置如图 5 所示，通入电子的电流为 B 相流入 C 相流出，则产生的磁动势 F1 将会促使转子向图 6 位置方向移动，但是此过程中在 A 相检测不出反电动势过零点信号，此时磁动势 F1 带动不了转子转动。图 4 反电动势和各相比较器输出关系而此时可以改变定子电流流通相序，即将定子电流从 C相流入，A 相流出，其产生的磁动势 F2 如图 6 所示，此时检测 B 相上反电动势过零点信号，刚到达图 7 位置时则 B相反电动势过零点信号跳变，则在延时 30电角度作为换相点进行换相，从而可以快速启动电机。图 5 转子位置 1 图 6 转子位置 2而当转子位置如图 8 时，此时定子电流是由 B 相流入，C 相流出，所产生的磁动势 F3 会带转子经过虚线位置，而经过此位置时，会检测到 A 相的反电动势的跳变，即可确定其反电动势过零点，经过一次导通检测，就确定了转子位置就能正常启动了。图 7 转子位置 3 图 8 转子位置 4结合两种情况可知，最多通过两个导通状态就能确定反电动势过零点，可以确定转子位置，从而能够快速地启动电机。2 实验平台搭建具体的实验平台搭建如图 9 所示，包括开关电源，无刷直流电机驱动电路，反电动势过零点检测电路，被控对象图 2 重构中性点70|电子制作 2023 年 3 月信息工程无刷直流电机，还有测相应波形的示波器。其中驱动电路所用的主控芯片是 STM32F103C8T6 型号的单片机；比较器所用的型号为 LM324，此比较器可以进行真正意义上的差分输入，可以在 3.032V 的工作电压下运行，检测反电动势过零点信号；选用的无刷直流电机极对数为 2，额定功率为 35W，额定电压 24V，额定转速 2500r/min。图 9 实验平台3 实验结果分析 3.1 原理验证分析图 10 和图 11 为在无位置控制条件下，A 相端电压波形与中性点电压波形的比较，以及比较器在 PWM 通道上输出的电平情况，用霍尔传感器测试的 A 相输出电平。由示波器图形可知在 A 相端电压波形与中性点电压波形第一次相交处的幅值大约为 A 相端电压波形幅值的一半，即图 2中对应的点（0，d/2U）。而在此交点下，比较器输出信号正好是处于跳变状态，由sumUaU的低电平信号跳变为sumUaU的高电平信号，而第二次相交时，比较器输出信号也是属于跳变状态，跳变情况与第一次正好相反，两交点都是反电动势过零点信号。再观察比较器在 PWM 通道上输出的电平和用霍尔传感器测试的 A 相输出电平，比较可知，霍尔传感器发出的换相信号和电动势过零点信号延迟 30 度后完全重合，即说明此控制方法的可行性，从而实现无位置控制。3.2 实践效果分析图 12 和图 13 为有位置传感器和无位置传感器两种控制方式下的速度波形，程序中采用了自抗扰控制（ADRC）代替了传统的 PID 控制，使得控制更加精准，信号识别能力更强，抗干扰能力更优。图 12 为无位置传感器控制方式在 ADRC 方式下的速度波形，于 0.85s 时反馈速度就达到给定速度要求。对比两图可知，两种控制方式都具有上升过程稳定，超调量十分小等优点，均能满足快速平稳达到给定速度并稳定保持的要求。图 12 无位置传感器的转速波形图 13 为有位置传感器控制方式在 ADRC 方式下的速度波形，于 0.7s 时反馈速度就达到给定速度要求。图 13 有位置传感器控制的转速波形对比两图可知，两种控制方式都具有上升过程稳定，超图 10 实物波形图图 11 仿真波形图（下转第 57 页）|57信息工程于仿真结果。后续优化环行隔离器的端口驻波，定向性指标会更优。04812162024f0-0.4f0-0.2f0f0+0.2f0+0.4定向性（dB）CH1CH2CH3CH4图 9 定向性实测数据耦合相位实测一致性仅 4，定标端口驻波小于 1.3，定标耦合器的通道一致性好。实现了 X 波段弱耦合高定向性的定标耦合器设计。T/R 组件关键技术指标测试如表 1 所示。表1 关键指标测试关键技术指标测试结果通道峰值功率30W接收增益26dB噪声系数2.6dB组件效率35%端口驻波比1.5：1移相精度3(RMS)衰减精度0.5dB(RMS)组件实测输出功率大于 30W，尤其是组件效率高，全带内超过 35%，实现了大功率、高效率和低噪声设计，移相精度和衰减精度也满足使用要求。5 结论设计实现了一款高输出和高效率的 X 波段四通道 T/R组件，通过嵌入弱耦合、高定向性的合成定标耦合器，实现了对收发通道的定标测试。“三芯片”方案节省了射频芯片的使用数量，生产装配一致性和成品率更高，通道一致性更好。为进一步的应用在星载 SAR 平台打下坚实的基础。参考文献 1 肖宁,秦立峰,张选,程显平,X 波段氮化镓小型化 T/R 组件的设计与实现 J.无线电工程,2017,(11).2 季帅,张慧锋,严少敏,潘栓龙,基于 MCM 技术的 X 波段四通道 T/R 组件设计 J.火控雷达技术,2015,(2).3 李玲玉,淦华,吴昌勇,一种基于低成本多层基板的 T/R 组件设计 J.电子信息对抗技术.2019.(4).4 周昊,刘海,程凯,一种基于 HTCC 技术的收发组件一体化外壳 J.电子与封装,2021,(6).5金铃,高定向性微带定向耦合器的研究J.微波学报,2017,(S1).6 张文毓,电子封装材料的研究与应用 J.上海电气技术,2017,(2).调量十分小等优点，均能满足快速平稳达到给定速度并稳定保持的要求。4 总结本文通过未导通相端电压和中性点电压进行比较，取比较输出的跳变处为反电动势过零点信号，在延迟 30电角度确定换相点，从而进行换相操作。同时也设计了最多通过两个导通状态就能快速启动电机的方法。最后验证了原理推导的正确性，配合 ADRC 测试比较了有无位置传感器电机运行的各自状态。实践分析证明了：此方法不用考虑滤波电路和换相检测精度等问题，无需额外供电，节约了成本，性能也更强大。参考文献 1 廖自力，赵其进，刘春光.基于自抗扰技术的 PMSM 无位置传感器优化控制 J.微电机，2018(7)：44-53.2 任志斌，林元璋，钟灼仔.交流伺服控制系统 M.北京:机械工业出版社，2018.3 任志斌，周运逸，朱杰，刘荣昌.基于无刷直流电机的无位置传感器控制 J.传感器与微系统，2021，40(11)：100-102.4 GAN M G，ZHANG M，ZHENG C Y，et al An adaptive sliding mode observer over wide speed range for sensorless control of a brushless DC motorJ.Control Engineering Practice，2018(5):52-57.5 韩京清自抗扰控制技术:估计补偿不确定因素的控制技术M.北京:国防工业出版社，2008 6 王成元,夏加宽,孙宜标.现代电机控制技术 M.北京:机械工业出版社,2009.7 任志斌,杨勇.DSP 控制技术与应用 M.北京:中国电力出版社,2015.通信作者：王啸天。（上接第 70 页）