无传感器直流电机驱动系统设计及控制策略

管志旺

摘要：文章通过对无刷直流电机绕组反电动势波形进行分析，结合三相全波六状态工作方式位置传感器时序推导，设计一款基于MCS51单片机的无位置传感器直流无刷电机驱动控制系统，给出了较优的启动控制策略。经实验，方案应用到高压电机和低压电机上启动和运行状态都良好，系统的启动成功率不低于99%，启动和运行平稳，调速性能好。

关键词：无传感器无刷直流电机；反电动势；驱动控制；启动控制；MCS51单片机 文献标识码：A

中图分类号：TM36 文章编号：1009-2374（2017）07-0013-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.006

1 概述

电机转子位置信息的检测是无位置传感器直流无刷电机控制的一个关键点，检测无位置传感器的直流无刷电机转子位置信息的方法有很多，使用反电动势过零法是其中较常用的一种，这种检测方法具有线路简单、成本低廉等优点，但存在一个硬件无法克服的缺点：在电机转动前及启动之初转速较低时反电势无法检测，只能用软件的方法进行处理。运行过程中在任何时刻电动机三相绕组只有两相导通，且每相绕组正反向各導通120°电角度，通过测量三相绕组端子及中性点相对于直流母线负端（或正端）的电位，当某端点电位与中性点电位相等时，则此时刻该相绕组反电动势过零，再过30°电角度就必须对功率器件进行换相，据此设计过零检测及移相（或定时）电路，从而得到全桥驱动6个功率器件的开关顺序。此法的第一关键点是由硬件获得实时的反电动势过零点，第二关键点是由软件估算30°电角度的时延。在实际应用中，由于各种因素会导致所获得的反电动势过零点并不“实时”，估算的30°电角度会随电机转速的变化出现超前或滞后，可能会导致电机运行不

顺畅。

2 设计原理分析

2.1 反电动势推导

2.3 反电动势过零点及换相点分析

反电动势过“0”点及换相点示意图如图3所示，用BA表示电流从Lb相绕组流入，从La相绕组流出；G3G4表示Lb相上桥臂和La相下桥臂的2个功率开关导通。过零点检测波形表示反电动势过零点和换相点，其中Z为反电动势过零点、C为换相点。反电势过零点和换相点均匀分布，彼此间隔30°电角度。

2.4 反电动势过零点延迟90°电角度

把La、Lb、Lc三相（对应简称为A、B、C相）的反电动势过零点独立分离开来，如图4所示的反电动势即时输出波形，对应于图3中的Z1至Z6过零点，其中A相的是Z2和Z5，B相的是Z3和Z6，C相的是Z1和Z4。

把图4中A、B、C三相的反电动势输出波形往右移动90°电角度（30°+60°），得到图5所示波形。

图6是三相全波六状态工作方式位置传感器时序图，通过对图5和图6的对照比较不难发现：图6中的HA、HB、HC的波形分别与图5中的B、C、A的波形对应，也就是说经过移相90°电角度的三相反电动势波形，再相应调节相序后便可像有位置传感器直流无刷电机一样直接作为转子的位置信息来驱动电机。

3 过零检测硬件设计

3.1 电路设计依据

当PWM关断期间，式（5）、式（6）、式（7）中Un约等于0，则悬空相所取得的端电压则可看作是该相反电动势。当PWM导通期间，式（5）、式（6）、式（7）中Un约等于主电压的一半，如果相端通过电容隔直获取电压端电压，则悬空相所取得的端电压则可看作是该相反电动势。

3.2 硬件电路设计

反电动势过零检测电路如图7所示，首先端电压经过电阻串联分压把较高的端电压调小，同时用电阻电容滤波及移相，C1、C2、C3又具有隔直作用，其中为使在较低频率下也能达到非常接近90°电角度的相移，电容C1至C6的容量都尽可能选用大点的，但又不能太大，通常用4.7～10uF。图中由R2、R3、R4重构出移相后的反电动势中点电压，移相后的各相反电动势与该中点电压进行比较，输出相应的反电动势过零检测波形，也就是电机转子的位置信息。

相邻两相的恒零相移端电压送到比较器后，比较器比较的是两相端电压，实质上就是检测线电压的过零点。这个过零点正好对应电机的换相点，因此比较器输出的换相信号与霍尔传感器输出的换相信号完全一致。

3.3 测试结果

在有传感器无刷直流电机中接入图7所示电路制作的反电动势过零检测电路，测试各输出端与电机转子相应位置传感器（霍尔）信号波形，如图8、图9所示。

图中通道2的波形为反电动势过零检测电路输出的波形，通道1的波形为霍尔传感器输出的的波形，图8所示频率为122.942Hz，即电机转速约为3690转/分（试验电机磁极对数为2）的测量情况；图9所示频率为404.525Hz，即电机转速约为12135转/分的测量情况。据此可以看出，比较器输出的反电动势过零检测信号与霍尔传感器输出的信号大体一致。

4 电机启动及运行策略

电机常用的“三段式”启动，即“转子定位”、“变频加速”和“状态切换”，其中第二、三步跟电机的自身特性、负载转矩、外施电压、加速曲线等密切相关，若方法不当很容易造成电机失步，启动失败。电机在由他控式变频调速同步电机状态向无刷直流电机状态切换时，更是要求反复实验，软硬件可靠。

本方案采用修正的“三段式”启动，即“转子预定位”和“恒速运行及状态切换”，这里的“状态切换”是指从前2.5段的开环运行切换到准闭环运行。“转子预定位”的方法是根据电机负载所需的启动转矩设定相应的PWM占空比，重复2～3次短暂开通和关闭驱动电机的某一状态，并记住这一状态（因为下一步就要以此为起点，依序1-6换相加速）。“变频加速”则依据事先计算好的数据表进行延时换相，这下步的关键是数据表的计算和占空比的选取，选取的策略是：根据电机负载所需的启动转矩设定能动起来的尽可能小的占空比，再根据电机的参数计算该占空比下的正常转速N，以略大于此转速为上限，以150转/分或200转/分的转速为起始值，以30～50转/分为加速度，20ms调速简隔，计算每种速度时换相延时时间做成数据表。当“变频加速”到转速N附近时，不断采集的反电动势过零检测信号是否符合当前状态的位置信息，并判断其“变化规律”是否符合霍尔传感器输出的信号的“变化规律”，符合时就以当前转速“恒速运行”一小段时间，并不断采集反电动势过零检测信号，之后就按采集反电动势过零检测信号切换状态电机的运行状态，至此启动完成进入“准闭环”运行状态。

5 结语

方案应分别用到300V/300W的高压电机和24V/60W的低压电机上启动和运行状态都良好，启动平稳，且启动成功率高（间歇启动测试约200次，成功率大于99%），运行状态平稳，不失步，调速性能好。不足之处有两方面：一方面是由实验测量可知，刚换相时反电动势过零检测信号波形偶会出现低电平毛刺，解决的方法是通过软件在读取反电动势过零检测信号波时进行多次重读比较的方法去除毛刺；另一方面是“变频加速”过程中用到的数据表不能通用，对于不同参数的电机，不同的启动转矩需要重新计算数据表，解决的方向是在软件中录入电机参数和启动转矩，由软件自动计算所需数据。

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（责任编辑：黄银芳）