无刷直流电机无位置传感器控制系统仿真及试验研究

控制与应用技术　ＥＭＣＡ　迫札与控制应闸２０１３，４０（１０）　无刷直流电机无位置传感器控制　系统仿真及试验研究　焦晓雷’，　高延丽　，　潘　劲　（１．南瑞集团公司，江苏南京摘２１０００３；２．湖南电力公司检修分公司，湖南长沙４１００１２）　要：建立了无刷直流电机（ＢＬＤＣＭ）的数学模型，设计了基于ＭＡＴＬＡＢ的ＢＬＤＣＭ无位置传感器仿真　系统。运用三段位起动法实现电机的自起动，采用线反电动势过零点检测法实现电机换相。最后基于ＴＩ公　司ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２搭建了试验平台，通过试验验证，设计的ＢＬＤＣＭ无位置传感器控制系统具有快速的响应能　力，同时能够很好地预测电机转子位置，为电机驱动电路准确换相提供了可靠保障。　关键词：无刷直流电机：无位置传感器；反电动势法；三段位起动法　中图分类号：ＴＭ　３０１．２　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３－６５４０（２０１３）１０－００３６－０４　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎ－Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　Ｍｏｔｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＪＩＡ０　Ｘｉａｏｌｅｉｌ，ＧＡＯ　ＹａｎｌｉＬ，ＰＡＮ　Ｊｉｎ　（１．Ｎａｒｉ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　Ｂｒａｎｃｈ，　Ｈｕｎａｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００１２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｔｈ—ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ—　ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　ＢＬＤＣＭ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＡＴＬＡＢ　ｗｅｒｅ　ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｕｌｄ　ｓｅｌｆ－ｓｔａｒｉｎｇ　ｂｙ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ—　ｓｔｅｐ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｄｅｔｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｂａｃｋ—ＥＭＦ　ｓｉｇｎａ１．Ｂｕｉｌｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２　ｏｆ　ＴＩ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ　ｒａｐｉｄ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｂｉｌｉｔｙ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｕｌｄ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ（ＢＬＤＣＭ）；ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ；ｂａｃｋ－ＥＭＦ；ｔｈｒｅｅ－ｓｔｅｐ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　０　引　言　传统直流电机采用电刷以机械方式换向，因　而存在噪声、火花和无线电干扰等问题，而且制造　成本高、维修比较困难。无刷直流电机（Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　Ｍｏｔｏｒ，ＢＬＤＣＭ）用电子换向替代传统直流电　机的机械换向装置，使其同时具有了传统直流电　机易于控制，以及异步电机结构简单、成本低的优　点，从而在航空航天、数控机床、机器人、办公自动　因此，研究ＢＬＤＣＭ无位置传感器控制技术是目　前的一个重要方向　。　本文首先建立了ＢＬＤＣＭ的数学模型，分析　了ＢＬＤＣＭ无位置传感器的工作原理，建立了　ＢＬＤＣＭ的仿真模型，最后通过试验验证了所搭建　ＢＬＤＣＭ无位置传感器控制系统的有效性和准　确性。　１　无位置传感器ＢＬＤＣＭ工作原理　１．１　ＢＬＤＣＭ的数学模型　采用具有梯形反电动势的ＢＬＤＣＭ，三相桥式　Ｙ形联接，１２０。两两导通方式。其中假设ＢＬＤＣＭ　在工作过程中磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，　三相绕组完全对称。ＢＬＤＣＭ等效主电路原理如　化等许多领域得到了广泛应用　Ｊ。但是，传统的　ＢＬＤＣＭ一般采用外置式位置传感器对转子位置　信号进行检测，不仅会使电机的成本增加、结构复　杂、体积与重量增大，同时也会降低电机的运行可　靠性，大大增加了电机的生产和维修的难度　。　一３６一　电币乙西控制应用２０１３，４０（１０）　图１所示。　［荔］＝［季三墨］［兰］＋［ｔ　三　兰　＋嘲　㈩　１＝—：　—盥　（２）Ｌ　，　‘，警＋Ｂｙ　＝　一　（３　控制与应用技术　ＥＭＣＡ　刻只有两相导通，这两相电流大小相等方向相反，　另一相相电流为零，所以三相电流的总和为零，当　电机只有两相导通时，将式（１）中三式相加可得　（４）　Ｕｃ一　电机的线反电动势为　‰ａｂ　＝ｅ　。ａ—ｅｂ　：　ａｂ　＝吾　。　（５）　＝　由式（４）和式（５）可知，电机转子位置与电机　相反电动势和线反电动势密切相关。相反电动势　过零点作３０。电角度的延时，就是电流的换相点。　线反电动势的过零点则直接就是换相点，不需要　再作任何延时。图２为相反电动势、线反电动势　与电机转子换相点的示意图。由图可知，线反电　动势与电机转子位置的关系比相反电动势与电机　转子位置的关系更直观。　线反电动势　／／　、　－Ｉ　；　Ｑｔ　　．／　＼　ｉＱ，　／厂　ｒｉａ５、　ｌ，　．一一　：　　ｊｊ　：　、、　一一一　图２相反电动势、线反电动势与电机　转子换相点关系示意图　２　ＢＬＤＣＭ无位置传感器控制系统　仿真分析　无位置传感器电机模型中没有传感器模型，　换相信号由线反电动势过零点检测法得到。但是　一３７—　控制与应用技术ＥＭＣＡ　迫札西粒制应闭２０１３，４０（１０）　反电势法在电机起步阶段并不适用，本文仿真系　转速双闭环ＰＩ控制，能够达到较理想的控制　统中采用三段位起动法　Ｊ，起动阶段结束后，通　ｑ０＼效果。　　嘏　８　７　６　５　４　３　２　１　０　过切换开关切换至普通的ＰＩ控制。　基于上文分析，通过ＭＡＴＬＡＢ搭建无位置传　感器ＢＬＤＣＭ的仿真模型。模型中主要包括　ＢＬＤＣＭ本体模块、电压逆变模块、电机起动模块、　相电压采集模块、速度控制模块等。仿真中电机　模型采用参数如下：额定电压Ｕ　＝５００　Ｖ；额定　转矩ＴＮ＝３　Ｎ・１ＴＩ；额定转速ｎＮ＝３　０００　ｒ／ｍｉｎ。　图３为利用三段位起动法得到的电机转子位　置电角度图，可见在电机起动阶段，电机转速在不　断匕升。　Ｕ　５　１　１．　２　ｊ　ｊ．５　４　４．５　ｌ｝ｓ　图３　电机起动阶段转子位置电角度　图４为线反电动势与各个时刻换相点之间的　关系。可见，结果与前文理论分析一致，三个线反　电动势的过零点，就是换相点。　Ａ相和Ｂ相线反电动势　言。　一５　Ｌ—————　—————Ｊ—————Ｊ——————Ｌ—————Ｌ—————１—————１—————Ｊ——————Ｌ———＿＿Ｊ　５　５．１　５　２　５　３　５　４　５．５　５．６　５．７　５．８　５．９　６　ｔ／ｓ　Ｂ相和Ｃ相线反电动势　。Ｆ　　ＩＩ　Ｉ５　５　．１　５．２　５　３　５．４　５．　５　５　．　６　５　．７　５　８　５　９　６　Ｃ相和Ａ相线反电动势　言。　一５　Ｌ—————ｉ—————Ｊ—————　——————　—————　—————　—————＾—————　—————Ｊ————Ｊ　５　５．１　５　２　５＿３　５．４　５．５　５．６　５．７　５．８　５．９　６　图４　电机三相线反电动势与换相点　图５为电机空载下的转速响应曲线。由图　可知，利用“三段式”方法起动，转速能够在较短　时间内跟踪给定转速，达到较理想的起动效果。　起动完毕后，系统通过切换开关切换到电流和　３８一　图５电机转速响应曲线　３　无位置传感器控制系统试验分析　基于美国ＴＩ公司高性能数字信号处理器　ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２搭建ＢＬＤＣＭ无位置传感器控制系　统，主要由主电路、采样电路、驱动电路和保护电　路等组成。系统的硬件控制框图如图６所示。　ＤＳＰ　ＴＭＳ３２０Ｆ２８ｌ２　图６硬件控制系统框图　主控制板由ＤＳＰ２８１２和外围电路组成，完成　控制算法，输出驱动信号，对输出输入信号进行处　理；电流采样电路采用外部ＡＤ芯片ＡＤ７８６４；驱　动板电路的核心部分是功率管ＭＯＳＦＥＴ和驱动芯　片构成的逆变装置，通过接收ＤＳＰ发出的６路　ＰＷＭ信号，并把ＰＷＭ信号加上专门的驱动电路　构成ＭＯＳＦＥＴ的控制电路。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２主频　高达１５０　Ｍ，其高速计算性能为实现实时智能控　制算法提供了良好的平台，而且系统的控制精度　高，抗干扰能力较强。　试验用ＢＬＤＣＭ参数如表１所示。　迫札西粒制应闸２０１３，４０（１０）　表１试验电机参数表　参数　参数值　磁极数　相数　额定电压ｕＤｃ　额定转速／（ｒ・ｍｉｎ　）　额定力矩／（Ｎ・ｍ）　输出功率／ｗ　线电阻／ｎ　线电感／ｍＨ　转矩常数／（Ｎ・ｍ／Ａｍｐｓ）　８　３　反电势／（Ｖ／ｋＲＰＭ）　转动惯量／（ｇ・ｃｍ。）　一　一　ｍ　图７为电机空载运行时ＡＢ线电压的波形。　因为系统在采样时加了滤波电容，故图中的电压　波形没有出现二极管续流引起的脉冲。　图７　ＡＢ两相线电压波形图　图８为空载时ＶＴ１功率管的ＰＷＭ驱动信号　波形。通过反电动势确定转子位置信号后，经变　换得到的ＶＴ１功率管的ＰＷＭ驱动信号波形。　　：１／ＩＸＩ—Ｘ２１＝１．＃ＪＧＨｚ　Ｘ１－Ｘ２１＝０．００ｐｓ　Ｙ：　…此ｎ　ｌ压ｎ～［Ｌ　ｎ　ＣＨＩ　５．００　Ｖ　２．００　ｍｓ　Ｄｅｌａｙ：０．００　ｐｓ　图８空载时ＶＴ１功率管的ＰＷＭ换相信号波形　从图７和图８可看出，在电机空载运行过程　中，本文设计的控制系统能够比较准确的预测转　子的位置信号，从而为电机提供准确的换相信息，　控制与应用技术　ＥＭＣＡ　电机运行情况平稳。　４　结　语　本文主要研究ＢＬＤＣＭ无位置传感器控制　系统，通过理论分析和试验验证得出了以下　结论：　（１）采用ＤＳＰ实现了ＢＬＤＣＭ无位置传感器　控制，控制系统结构简单、速度快、便于扩展，同时　由于ＤＳＰ优异的控制性能和速度，系统还可以实　现更为复杂的控制算法。　（２）采用线反电动势法在线电压与转子位置　之间建立了联系，大大简化了系统分析的计算难　度。同时，系统能够较准确地检测到转子的位置　信号，并能为电机提供准确的换相信号。试验运　行结果与仿真波形一致，证明了所设计系统的有　ｒ；ｒｌ　ｒＬ　１　２　３　４　５　效性和合理性。］　ｊ］●Ｊ］Ｊ【参考文献】　张琛．直流无刷电动机原理及应用［Ｍ］．北京：机　械工业出版社，２００４．　罗隆福，杨艳．无刷直流电动机中有待深入研究的　主要问题［Ｊ］．微特电机，２００８，２８（５）：１５—１６．　夏长亮，王娟．史婷娜，等．无刷直流电机无位置传　感器控制下的转矩波动抑制新策略［Ｊ］．天津大学　学报，２００５，３８（５）：４３２・４３６．　杜晓芸，林瑞光，吴建华．无位置传感器无刷直流　电机的控制策略［Ｊ］．电机与控制学报，２００２，６　（１）：２１—２５．　ＺＨＯＵ　Ｆ，ＬＩ　Ｂ　Ｚ，ＹＡＮＧ　Ｊ　Ｇ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ｓｐｅｅｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｂｅｙｅｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ａ　ＰＩ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｆｏｒ　ＰＭ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｒｏｒｓ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　２００７　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｓ，Ｃｈｉｎａ　Ｓａｎｙａ，２００７（１２）：１３７２—１３７７．　韩安太，刘峙飞，黄海．ＤＳＰ控制器原理及其在运　动控制系统中的应用［Ｍ］．北京：清华大学出版　社，２００３．　ＷＵ　Ｈ　Ｘ，ＣＨＥＮＧ　Ｓ　Ｋ，ＣＵＩ　Ｓ　Ｍ．Ａ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｏｆ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，２００５，４１（１）：５０９－５１３．　ＳＨＩ　Ｔ　Ｎ，ＴＩＡＮ　Ｙ，ＸＩＡ　Ｃ　Ｌ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｎｅｕｒａｌ　ｎｅｔｗｏｋ　ｆｏｒ　ＰＭ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒｓ『Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００７，４０（２）：１９０—１９４．　收稿日期：２０１３—０３—０７　—３９—