（上海马陆日用友捷汽车电气有限公司 上海市 201801）
摘要：文章首先对无刷直流电机及其保护和控制进行了概述，然后研究了无刷直流电机有位置传感器时的控制技术，最后研究了无刷直流电机无位置传感器时的控制技术。
关键词：无刷直流电机；双模控制技术
一、前言
无刷直流电机（Brushless DC Motor，以下简称BLDCM）是随着电力电子技术及新型永磁材料的发展而迅速成熟起来的一种新型电机。以其启动转矩大、调速性能好、效率高、过载能力强、性能稳定、控制结构简单等优点，同时还保留了普通直流电机优良的机械特性，广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人以及汽车零部件等领域[1]。
二、无刷直流电机保护和控制概述
为了使无刷直流电机能够长期稳定运行，采用加保护电路的方法使其正常工作，保护电路主要由欠压保护、过流保护、短路保护等组成，在软件里设置电压、电流的阈值，直接对电压、电流进行检测并产生相应的保护，以免对电路和电机造成损害，能够在异常情况下及时对电机做出保护动作。
随着BLDCM应用领域的不断扩大，对控制系统的设计提出了更高的要求。为此，建立BLDCM控制系统的可视化仿真模型，可以有效减少控制系统的设计时间，同时充分利用软件仿真的优越性，加入不同的扰动以及变化的参数，以便考察系统在不同控制条件下的动、静态特性。在分析了BLDCM数学模型的基础上，借助MATLAB的Simulink工具，建立了BLDCM控制系统的仿真模型，并利用该模型进行了控制系统的仿真试验，通过该仿真模型验证了数学模型的有效性及控制系统的合理性，加快了BLDCM控制系统的调试进程。
三、无刷直流电机有位置传感器时的控制技术研究
1、三相直流无刷电机控制
（一）三相无刷直流电机星形联结全桥驱动原理
无刷直流电机是多相结构，由于绕组是断续通电，适当提高绕组通电利用率可使同时通电绕组数增加、电阻下降、提高效率。从这点来看，三相比四相要好，四相比五相要好。而且无刷直流电机输出转矩波动比普通直流电机大，电机相数越多，转矩波动越小，且全桥比半桥波动小。但相数越多，所需的开关管越多，控制成本越高。综合以上因素，在实际应用中，三相桥式驱动方式最为广泛。
以三相无刷直流电机星形联结全桥驱动为例。开关管的排列顺序采用上桥臂1、3、5，下桥臂2、4、6的顺序。根据位置传感器传来的转子位置信号，按照一定的逻辑关系触发6个功率器件，使A、B、C三相绕组通电，即可实现电机的转动控制：如从VT1，VT4（AB通电）→VT1，VT6（AC通电）→VT3，VT6（BC通电）→VT3，VT2（BA通电）→VT3，VT2（CA通电）→VT5，VT4（CB通电），如此循环，反过来即可实现反转。
（二）三相直流无刷电机调速控制系统
系统采用双闭环控制。给定转速与速度反馈的偏差量经过速度调节控制得出电流参考量，与电流反馈的偏差量经过电流调节形成控制量，通过调节PWM的占空比实现转速控制。
2、系统硬件
（一）前向通道设计
采用TMS320LF2407A为系统控制器，以功率场效应管（MOSFET）作为功率变换元件，采用二二导通来控制功率场效应管（MOSFET）实现换相，采用PWM方式控制电机的转矩和转速。从TMS320LF2407A来的PWM控制信号连至驱动电路，驱动电路的输出再连至功率场效应管（MOSFET）的栅极。
（二）反馈通道设计
（1）电流检测
电流检测采用分压电阻来进行。分流电阻安装在功率驱动桥的下端与功放板地线之间。分压电阻上的电压降放大到DSP的ADC模块转换范围进行模数转换后送入DSP，根据电流参考值与电流测量值的偏差量确定新的PWM周期的占空比。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
（2）换相位置检测
为保证电机获得恒定的转矩，减小转矩波动，要检测磁极位置，掌握换相时刻。磁极位置检测由三个霍尔效应传感器完成。霍尔传感器的输出端经过隔离电路直接连到TMS320LF2407AA的捕获单元的输入。由于霍尔传感器输出三个脉宽为180度，相位差120度的信号，转子旋转360度可以测到6个上升、下降沿，CAP1、CAP2、CAP3的信号有6种组合，对应开关管的6种状态。根据换相控制字表即可实现开关管的正确切换。
（3）速度检测
电机转速可以根据霍尔传感器的输出信号换算。电机的转子每转一圈可以得到6个上升、下降沿（换相时刻），即两个换相时刻之间转子位置相差60度。假定换相间隔时间为△t，每转所用时间为6×△t，则转速为60/（6×△t）r/min。
3、控制系统软件设计
整个软件包括：主程序、定时中断模块、捕获中断模块、硬件保护中断模块。主程序完成芯片参数设定、电机参数给定、变量赋值等功能。初始化流程如下所示。
开始→寄存器、变量常量定义→寄存器变量赋值→观点中断→设置系统寄存器→事件管理器初始化→SCT初始化→ADC初始化→读取当前位置信号→配置中断逻辑→开中断→循环等待中断。
T1中断服务程序包括电流采样、电流PI算法、速度计算及积分分离PI算法，PWM占空比的改变等，这一过程在一个采样周期内完成。当速度采样时间到时，用捕获中断时记录下来的两次捕获单元信号跳变的时间间隔来计算转速。
四、无刷直流电机无位置传感器时的控制技术研究
1、应用反电动势对电路进行检测
（一）相电压法检测电路
在无刷直流电机处于无位置传感器运转时，进行控制的过程中需要获得转子位置信号，这样才能够对电机换相实施必要的控制。由于电机反电动势和转子位置有关，利用检测电机的反电动势，同时对其实施科学有效的处理，能够获取转子位置信号。
（二）反电动势过零点检测电路
研究中，在零点检测电路中使用相电压法检测电机三相绕组反电动势。在此过程中电阻构成了分压电路，另外和电容同时构成了一阶低通滤波回路，电阻以及电容呈现一定的关系。本文以A相反电动势信号为研究对象，能够发现，电压分压之后通过电阻、电容和运放构成一个积分器，可实现相对角度90°且不断延迟。需要注意的是：将积分器所输出的信号再次和零电压实施对比，对比器所输出的信号：IN-a、IN-b、IN-c也就提供了转子位置和换相信息。
2、无刷直流电机启动
在电机完全静止或转速相对较低的情况下，绕组反电动势信号幅值也会相应降低，在此过程中很难真正可靠地实施检测，一般情况下要使用别的方法实现启动。在电机转速达到一定程度的情况下才能利用反电动势检测电路对无位置传感器换相实施充分控制。值得注意的是，升频升压方法可使无刷直流电机在一定的速度范围中实现空载或者带一定负载惯量的条件下可靠启动。
需要指出的是：使用升频升压方法对电机进行启动的过程中，需要给逆变器供电让电机获取一个相对较准确的工作状态同时维系一定时间，而定子绕组所产生的合成磁场吸引转子转至和其垂直位置，最终可知一个相对较准确的转子位置，实际上就是转子预定位。完成转子定位之后，根据电机的旋转方向，有规律性的改变逆变器功率管触发导通顺序，同时尽可能的提升功率管PWM驱动信号占空比例，在此条件下电机的转速就会逐渐加快，直至反电动势检测电路所输出的信号可以当成功率开关对电机实施驱动。
五、结束语
根据本文内容设计、仿真并实现的无刷直流电机保护和双模控制系统,简单可靠,效果良好，可以为小型交流调速系统、汽车用无刷直流电机控制等的研究提供参考。
参考文献
[1]王季铁，曲家骐.执行电动机[M].北京：电子工业出版社，2011：74-91.
[2]叶振锋，雷淮刚.基于MATLAB的无刷直流电机控制系统仿真[J].微特电机，2012，03（5）：19-21.
[3]李宁，刘启新.电机自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2012，85-93.
论文作者:赵越
论文发表刊物:《电力设备》2016年第8期
论文发表时间:2016/7/18
标签：直流电机论文; 电机论文; 转子论文; 电动势论文; 位置论文; 信号论文; 控制系统论文; 《电力设备》2016年第8期论文;