曹 寬，萬(wàn)彥輝，王京鋒，，王 康

(1.中國(guó)航天科技集團(tuán)第十六研究所，陜西西安710100;2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710129)

0 引 言

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置傳感器控制一直是研究的熱點(diǎn)，其中以對(duì)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的方法應(yīng)用最為廣泛。反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零法、反電動(dòng)勢(shì)基波過(guò)零法、反電動(dòng)勢(shì)三次諧波檢測(cè)法得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。相較于其他兩種方法，反電動(dòng)勢(shì)三次諧波法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可檢測(cè)速度范圍更寬，不需要深度濾波，算法容易。本文研究和總結(jié)了前人關(guān)于三次諧波檢測(cè)法的應(yīng)用及存在的問(wèn)題，提出三次諧波和某一相過(guò)零點(diǎn)信號(hào)共同定位的改進(jìn)三次諧波檢測(cè)法，提高了系統(tǒng)的可靠性和帶載能力。

文獻(xiàn)［1－3］提出的所謂三次諧波檢測(cè)法在文獻(xiàn)［4］中被證明是不正確的，其檢測(cè)位置的信號(hào)不包含反電動(dòng)勢(shì)三次諧波分量，而是反電動(dòng)勢(shì)的基波分量。文獻(xiàn)［5］提出的是正確的三次諧波檢測(cè)法，同時(shí)就目前研究情況可知，要檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)三次諧波信號(hào)需要有電機(jī)繞組的中性線引出。本文將在此基礎(chǔ)上研究傳統(tǒng)三次諧波檢測(cè)法原理并分析存在問(wèn)題，給出具體解決的方法，并通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)。

1 三次諧波法原理及問(wèn)題

1.1 三次諧波的檢測(cè)

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)在電機(jī)運(yùn)行時(shí)是不能直接測(cè)量，一般都是在逆變電路外接對(duì)稱電阻網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)檢測(cè)電阻網(wǎng)絡(luò)中性點(diǎn)(即虛擬中性點(diǎn))和繞組中性點(diǎn)的電壓，間接得到電機(jī)的位置信號(hào)。電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中的N點(diǎn)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組中性點(diǎn)，S點(diǎn)為外接電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的虛擬中性點(diǎn)。

圖1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電路結(jié)構(gòu)圖

由無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電壓方程可知:

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，有:

結(jié)合無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)的運(yùn)行模式，根據(jù)電路知識(shí)可得:

由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)可得:

根據(jù)傅里葉分解，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的梯形波反電動(dòng)勢(shì)包含基波以及其它一系列奇數(shù)次諧波分量。

通過(guò)檢測(cè)虛擬中性點(diǎn)S和繞組中性點(diǎn)N之間的信號(hào)得到反電動(dòng)勢(shì)三次諧波信號(hào)，且該信號(hào)不受PWM斬波及直流分量的影響，進(jìn)而得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。

1.2 三次諧波檢測(cè)法的原理

根據(jù)諧波分析法的原理，反電動(dòng)勢(shì)三次諧波信號(hào)與A相反電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系如圖2所示?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)三次諧波信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)然后延遲30°就可以得到換相時(shí)刻。每一個(gè)三次諧波信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)換相狀態(tài)時(shí)刻，所以通過(guò)檢測(cè)三次諧波過(guò)零點(diǎn)就可以得到全部的換相時(shí)刻。結(jié)合前文的分析，通過(guò)檢測(cè)虛擬中性點(diǎn)S和繞組中性點(diǎn)N之間信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)就可以控制電機(jī)換相，保證電機(jī)正常運(yùn)行。

圖2 A相反電動(dòng)勢(shì)與三次諧波信號(hào)

1.3 三次諧波法存在的問(wèn)題及解決方法

傳統(tǒng)三次諧波檢測(cè)法是通過(guò)檢測(cè)三次諧波信號(hào)來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置。從圖2可以看出，當(dāng)隨機(jī)檢測(cè)到三次諧波信號(hào)上升沿時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法確定出下一狀態(tài)是狀態(tài)1、狀態(tài)3還是狀態(tài)5;同理當(dāng)隨機(jī)檢測(cè)到三次諧波信號(hào)下降沿時(shí)，系統(tǒng)也無(wú)法判斷下一狀態(tài)是狀態(tài)2、狀態(tài)4或狀態(tài)6，這樣在程序上就有很大的難度，且容易使?fàn)顟B(tài)混亂產(chǎn)生失步。實(shí)際樣機(jī)測(cè)試中，對(duì)于1 200 r/min額定轉(zhuǎn)速的電機(jī)，設(shè)定切換速度200 r/min，設(shè)定切換上升沿第一狀態(tài)為狀態(tài)1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電機(jī)有超過(guò)一半次數(shù)起動(dòng)切換失敗，這就說(shuō)明切換時(shí)刻的狀態(tài)判斷錯(cuò)誤。

對(duì)于上述存在的問(wèn)題，提出了兩套方案:

(1)對(duì)于未成功起動(dòng)情況，程序上讓電機(jī)回到起始時(shí)刻重新起動(dòng);

(2)外加檢測(cè)A相相電壓過(guò)零信號(hào)，通過(guò)該信號(hào)和三次諧波信號(hào)共同判斷電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)，以三次諧波信號(hào)作為主控位置信號(hào)，A相過(guò)零信號(hào)作為輔助位置信號(hào)。

方法(1)雖然在一定程度上可以讓電機(jī)重新起動(dòng)，但實(shí)驗(yàn)多次發(fā)現(xiàn)電機(jī)存在連續(xù)多次起動(dòng)不成功的情況。在這種情況下，電機(jī)起動(dòng)時(shí)間明顯加長(zhǎng)，而且在低速下運(yùn)行電機(jī)繞組電流太大，發(fā)熱嚴(yán)重，對(duì)電機(jī)傷害嚴(yán)重，最后確定采用方法(2)。雖然方法(2)需要加入附加的外圍電路，并且需使用兩路捕獲單元，但該方法運(yùn)行平穩(wěn)可靠，帶載能力明顯增強(qiáng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以TMS320F28335芯片為核心，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基于三次諧波檢測(cè)法的無(wú)位置傳感器控制，完成對(duì)轉(zhuǎn)速的開(kāi)環(huán)、閉環(huán)控制。系統(tǒng)主要包括無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)主回路、位置檢測(cè)電路和系統(tǒng)控制回路，如圖3所示。其中主回路部分主要包括電機(jī)和逆變橋，系統(tǒng)控制回路主要包括DSP和驅(qū)動(dòng)電路等。位置檢測(cè)回路是用三次諧波過(guò)零信號(hào)作為主控信號(hào)，通過(guò)不斷檢測(cè)其過(guò)零點(diǎn)使換相狀態(tài)加1;而A相過(guò)零信號(hào)只檢測(cè)上升沿，由此來(lái)置位電機(jī)的換相狀態(tài)。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

硬件上是通過(guò)DSP捕獲單元將外接三次諧波檢測(cè)電路和A相檢測(cè)電路的位置信號(hào)輸入到TMS320F28335中控制電機(jī)換相。具體實(shí)現(xiàn)是利用位置檢測(cè)電路確定電機(jī)的位置，然后通過(guò)定時(shí)器及檢測(cè)的轉(zhuǎn)速設(shè)定過(guò)零點(diǎn)延遲90°換相，將對(duì)應(yīng)的PWM經(jīng)光耦隔離后通入IR2130控制電機(jī)三相開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行換相。具體的實(shí)現(xiàn)方法將在下節(jié)的軟件流程中做具體介紹。對(duì)于TMS320F28335最小系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路與常見(jiàn)電路類似，這里不多作介紹，硬件電路將主要介紹位置檢測(cè)電路。

2.1 三次諧波過(guò)零信號(hào)檢測(cè)

根據(jù)前文對(duì)三次諧波檢測(cè)原理的分析，電機(jī)繞組中性點(diǎn)和虛擬中性點(diǎn)之間的信號(hào)近似為反電動(dòng)勢(shì)三次諧波信號(hào)，而且該信號(hào)無(wú)直流分量，且理論上不受PWM斬波影響。所以，首先將電機(jī)繞組中性點(diǎn)和虛擬中性點(diǎn)信號(hào)作減法，如圖4中通過(guò)運(yùn)算放大器構(gòu)建減法電路實(shí)現(xiàn)。然后通過(guò)比較器完成信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的輸出，最后通過(guò)光耦隔離輸入到DSP捕獲單元，完成反電動(dòng)勢(shì)三次諧波過(guò)零信號(hào)的檢測(cè)。中間小濾波電路(C0很小)是為了防止毛刺對(duì)位置信號(hào)的干擾。

2.2 A相過(guò)零信號(hào)檢測(cè)

為防止A相相電壓過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)對(duì)虛擬中性點(diǎn)信號(hào)產(chǎn)生影響，在設(shè)計(jì)A相過(guò)零點(diǎn)信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)在減法電路中加入高阻分壓，對(duì)應(yīng)如圖5中R4=20 kΩ，R5=2 kΩ，以去除接地對(duì)虛擬中性點(diǎn)S信號(hào)的影響。將A與N做差即可以得到電機(jī)A相的電壓信號(hào)?？紤]到PWM斬波信號(hào)對(duì)A點(diǎn)電壓的影響，該檢測(cè)電路中必須加入低通濾波器以保證過(guò)零點(diǎn)的準(zhǔn)確判斷。低通濾波電路的引入不可避免地帶來(lái)了相位延遲，所以本文只用A相過(guò)零信號(hào)做狀態(tài)置位的輔助位置信號(hào)，這樣就可以不用考慮濾波延遲的影響，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)控制難度，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性。后續(xù)通過(guò)比較器輸出A相相電壓過(guò)零信號(hào)，并通過(guò)光耦隔離輸入到DSP。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的理論分析，通過(guò)檢測(cè)虛擬中性點(diǎn)和繞組中線點(diǎn)間的信號(hào)得到的三次諧波信號(hào)在理論上是不用濾波的。本系統(tǒng)將以三次諧波過(guò)零信號(hào)作為主控位置，用以確定電機(jī)的換相時(shí)刻;而對(duì)于A相相電壓過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)需要低通濾波，理論上存在濾波延遲，且隨著轉(zhuǎn)速的變化延遲也在變化，因而系統(tǒng)將該信號(hào)作為輔助位置信號(hào)。通過(guò)對(duì)A相過(guò)零信號(hào)上升沿的檢測(cè)來(lái)對(duì)電機(jī)狀態(tài)位進(jìn)行置位，以保證電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)失步狀態(tài)。

本無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)起動(dòng)方法采用“三段式”起動(dòng)，且為保證可靠性，采用連續(xù)兩次預(yù)定位的方法對(duì)電機(jī)初始位置進(jìn)行定位。系統(tǒng)的PWM調(diào)制方式采用H_pwm_L_pwm。主程序流程主要包括DSP初始化、預(yù)定位、外同步、自同步到外同步匹配、自同步運(yùn)行等，與常見(jiàn)的三段式起動(dòng)類似，這里不做重復(fù)介紹。軟件設(shè)計(jì)將主要介紹位置信號(hào)捕獲的中斷子函數(shù)流程。

本系統(tǒng)通過(guò)TMS320F28335的捕獲單元來(lái)捕獲位置信號(hào)，由Ecap1捕獲三次諧波信號(hào)并在中斷子函數(shù)完成電機(jī)狀態(tài)遞增、轉(zhuǎn)速計(jì)算、PID參數(shù)整定、PWM占空比調(diào)節(jié)等;由Ecap2捕獲A相過(guò)零信號(hào)的上升沿并對(duì)電機(jī)狀態(tài)位進(jìn)行強(qiáng)制置位。在對(duì)三次諧波信號(hào)捕獲的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速通過(guò)定時(shí)器完成延遲90°電角度的延遲并控制電機(jī)換向，主要是通過(guò)定時(shí)器中斷子函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。具體的軟件流程如圖6所示。

圖6 中斷子函數(shù)流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)規(guī)格為6對(duì)極、額定電壓24 V、額定轉(zhuǎn)速1 200 r/min，實(shí)際中100 r/min時(shí)即可以測(cè)得三次諧波的位置信號(hào)，但為了系統(tǒng)可靠，本文設(shè)定的同步切換轉(zhuǎn)速為200 r/min。

根據(jù)前文三次諧波檢測(cè)電路對(duì)應(yīng)的減法電路、比較電路和光耦隔離電路原理，三次諧波信號(hào)與其對(duì)應(yīng)的位置信號(hào)存在反相關(guān)系，但這不影響系統(tǒng)控制算法。在實(shí)際測(cè)試中，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)1 190 r/min時(shí)測(cè)得的三次諧波信號(hào)及對(duì)應(yīng)的位置信號(hào)如圖7所示，可以看出三次諧波對(duì)應(yīng)的位置信號(hào)基本沒(méi)有延時(shí)，這就為控制算法上提供了一定的簡(jiǎn)便性。

圖7 三次諧波信號(hào)與對(duì)應(yīng)的位置信號(hào)

對(duì)應(yīng)A相相電壓過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)電路分析可知，該A相相電壓與其對(duì)應(yīng)的位置信號(hào)同相，又因?yàn)闄z測(cè)電路中必須存在濾波電路，所以不可避免地引入了濾波延遲。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 190 r/min時(shí)，測(cè)得的A相相電壓及位置信號(hào)如圖8所示，可以看出A相輔助位置信號(hào)有明顯延遲，約為50°電角度。

圖8 A相相電壓與對(duì)應(yīng)的位置信號(hào)

從圖7和圖8的實(shí)際測(cè)試中，證明了前文數(shù)學(xué)分析的正確性。S點(diǎn)和N點(diǎn)之間的三次諧波信號(hào)不受到電機(jī)直流母線電壓和斬波信號(hào)的影響，所以理論上不要濾波。以三次諧波對(duì)應(yīng)得位置信號(hào)作為主位置信號(hào)，只需要根據(jù)當(dāng)前檢測(cè)到的位置信號(hào)和轉(zhuǎn)速完成電機(jī)的延遲換相，在系統(tǒng)算法上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便。A相相電壓過(guò)零信號(hào)檢測(cè)到的輔助位置信號(hào)有一定的延遲，在濾波電路分析中不超過(guò)電機(jī)一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)60°電角度，所以可以作為輔助位置信號(hào)，不斷地對(duì)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)制置位，保證電機(jī)不失步，提高了系統(tǒng)的可靠性。

在系統(tǒng)控制算法中加入轉(zhuǎn)速PI控制等，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)到1 200 r/min，實(shí)際測(cè)試的結(jié)果如圖9所示。

圖9 電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)果

結(jié)合圖7和圖9可以看出，系統(tǒng)的三次諧波檢測(cè)電路的位置信號(hào)基本無(wú)延遲，A相相電壓過(guò)零信號(hào)對(duì)應(yīng)的位置信號(hào)延遲大約51.4°。根據(jù)前文的控制算法控制，結(jié)果表明電機(jī)可以在額定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié) 語(yǔ)

以三次諧波對(duì)應(yīng)位置信號(hào)作為主控信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)算法的簡(jiǎn)化。主要是因?yàn)槿沃C波信號(hào)理論上不需要濾波，所以就不用考慮濾波所帶來(lái)的延遲補(bǔ)償，只需根據(jù)當(dāng)前檢測(cè)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)延遲30°換相即可;

A相過(guò)零點(diǎn)的輔助位置信號(hào)可以保證三次諧波信號(hào)準(zhǔn)確定位，不會(huì)再出現(xiàn)三次諧波信號(hào)定位多樣性的問(wèn)題。同時(shí)雖然A相過(guò)零信號(hào)需要深度濾波，但其濾波后的位置信號(hào)只作強(qiáng)制性置位，不需考慮其濾波延遲的問(wèn)題;

本文提出的基于A相過(guò)零點(diǎn)輔助位置信號(hào)的三次諧波檢測(cè)法的無(wú)位置傳感器控制方法，使得傳統(tǒng)的三次諧波檢測(cè)的可靠性得到了提高，且算法實(shí)現(xiàn)明顯簡(jiǎn)化。

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