无位置传感器的ＢＬＤＣ控制设计与调制优化

只看该作者 · 2018-4-19 09:26

直流无刷电机（ＢＬＤＣ）是近几年来小型电机行业发展最快的品种之一，由于其具有体积小、重量轻、效率高、调速性能好、转动惯量小、没有励磁损耗等问题，因此在多个领域具有广泛的应用。直流无刷电机控制系统目前主要有三种控制方式：专用集成电路芯片控制、ＤＳＰ高速控制、单片机控制。以专用集成电路芯片为核心的控制系统结构简单，但不能灵活地控制各种参数；以ＤＳＰ为核心的控制系统精度高、速度快，但成本高；以单片机为核心的控制系统具有价格低，片内资源丰富，且可以灵活地编制程序控制等优点。
ＢＬＤＣ控制中转子位置检测方法包括有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。有位置传感器控制简单，但位置传感器的存在增大了电机体积，增加了电机制造的复杂性，在一些高温、高湿等特殊应用场合，外置式位置传感器的可靠性差，有时甚至无**常工作，在一定程度上限制了其应用范围。采用无位置传感器控制，可以缩小电机体积，提高系统抗干扰能力，精确的无位置传感器控制还能避免位置传感器可靠性差、安装精确度不足带来的换相转矩脉动。
本文研究的ＢＬＤＣ控制器以ＮＵＶＯＴＯＮＭＩＮ－Ｉ５４ＺＤＥ单片机为控制核心，采用无位置传感器控制策略，辅以驱动电路，实现ＢＬＤＣ电机的控制。硬件采用九电阻检过零电路，软件采用ＰＷＭ＿ＯＮ调制进行优化控制。控制器从电机启转到电机运行考虑非常全面，可适用于多种高低速和高低电压ＢＬＤＣ的控制。
１.ＢＬＤＣ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。
图１是电机在定子通电相由ＡＢ→ＡＣ转换过程中，即定子电枢的磁势由Ｆａ１向Ｆａ２的跳跃步进过程中，转子由Ｆｆ１转向Ｆｆ２的过程。

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。系统的电路结构如图３所示。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。

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。

２．３ＩＧＢＴ驱动电路

对于典型的三相直流无刷电机，在正常工作时有６个不同工作区间，产生的三相六状态波形由全波逆变电路产生。如图５所示，６个功率开关管控制三相绕组两两通断，三相六状态方式即每个时刻只有上下桥中一个桥臂的开关管导通，每隔１／６周期（即６０°电角度）换相一次，每个开关管一次导通１２０°电角度。正转时，各开关管导通顺序为：Ｔ１Ｔ４→Ｔ１Ｔ６→Ｔ３Ｔ６→Ｔ３Ｔ２→Ｔ５Ｔ２→Ｔ５Ｔ４→Ｔ１Ｔ４。

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。主程序里主要的控制流程如图６所示。

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：

（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。

（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。

３．３检过零→换相

软件设计中使用两个定时器：Ｔｉｍｅｒ１连续定时模式用于定时检测过零点，首次取５ｍｓ进中断；Ｔｉｍｅｒ０周期模式用于触发换相，首次取６０ｍｓ换相周期。每次在Ｔｉｍｅｒ１中断里检测到过零后，Ｔｉｍｅｒ１和Ｔｉｍｅｒ０定时器的溢出值迭代更新，具体的时间流图如图７所示。

在电机运转时，检过零之后的３０°电角度为最佳换相时机，每次换相后，要改变驱动上、下ＩＧＢＴ的ＰＷＭ输出引脚，还要切换比较器的输入引脚。本控制器使用的ＮＵＶＯＴＯＮ主控芯片ＭＩＮＩ５１系列具有如下功能：①换相寄存器：ＰＷＭ→ＰＨＣＨＧ，写该寄存器完成上述三个动作。②定时器溢出时，自动换相：ＰＷＭ→ＰＨＣＨＧＮＸＴ中的值会自动写入换相寄存器ＰＷＭ→ＰＨＣＨＧ。

３．４防输出短路

控制器启用芯片的Ｂｒａｋｅ功能，过流立即关断ＩＧＢＴ。经测试，即使在电机转动时短接输出，也不会烧功率管。

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［７］，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

４．２．１最佳换相

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。

４．２．２转速最快换相

如果过零之后立即换相，平均夹角就是１２０°（如图８所示），则磁铁与线圈磁场有一个１８０°的分量，分解后磁铁相当于磁性减弱，此时力矩会损失很多，并且电流会增大较多，但电机速度最快，比最佳换相时机的速度要快５％。

转速可根据前后两次检测过零时间的差值算出。两次检测过零时，Ｔｉｍｅｒ１定时器读数的差值即是当前的换相周期Ｐｅｒｉｏｄ－Ｎｏｗ，为当前换相时间微秒数。６次换相是一个电转周期，其倒数就是每秒电转速，再乘６０就是每分钟转速。电机每分钟电转速计算公式是：

６０×（１０６ μｓ／（ＰｅｒｉｏｄＮｏｗ×６））＝１０７／ＰｅｒｉｏｄＮｏｗ

５控制器测试

ＢＬＤＣ控制器设计完成后，成功驱动一款直流无刷电机，并在该ＢＬＤＣ控制器上以家用吸尘器的测试标准ＩＥＣ６０３１２进行了两种换相情况下的测试，测试的部分数据如表１、表２所列。

　两种情况下的测试数据表明，在梯形波控制方式下，相同的测试环境，相比于最佳的换相时机，过零后立即换相电机的转速大约提高５％，本测试使用的直流无刷电机在全速运行情况下，转速最高可达八万多ｒｐｍ，同时瞬时效率也有一定的提高。理论上本控制器最高可驱动二十万转左右的直流无刷电机，满足大功率电机的驱动要求。

电脑主机进行通信。其次在ＰＣ中安装ＳｅｃｕｒｅＣＲＴ８．０．４终端仿真软件，并在虚拟机中安装Ｕｂｕｎｔｕ９．１０。当测试平台搭建完之后即可启动开发板，然后通过命令来开启Ｍｊｐｇ＿ｓｔｒｅａｍｅｒ服务器，最后在Ｕｂｕｎｔｕ的文本模式下进入相应的目录中，通过命令来启动客户端，随后即可观看视频图像，运行效果如图４所示。视频监控系统实物图如图５所示，其可以很好地满足各种场合的视频监控需求。

５．２运动目标跟踪的实现

本文获取之前录制的一段视频进行测试运动目标跟踪的效果，该测试在ＣＰＵ为Ｉｎｔｅｌ（Ｒ）Ｃｏｒｅ（ＴＭ）２Ｄｕｏ，运行内存为２ＧＢ的Ｗｉｎｄｏｗｓ系统上进行，并在Ｏｐｅｎｃｖ２．４．１０和ＶＳ２０１０的开发平台上利用Ｃ／Ｃ＋＋编程语言实现。视频序列中每帧图片的大小为３２０×２４０，视频中的运动目标水杯缓慢向左移动。测试发现，当运动目标缓慢移动并无明显尺寸变化以及无遮挡情况发生时，采用经典的Ｍｅａｎ－ｓｈｉｆｔ算法对运动目标进行跟踪还是比较理想的。获取其中的第５帧、第２０帧、第３０帧的测试效果图如图６所示。