摘要：永磁无刷直流电机控制系统具有高功率密度、结构可靠、高效率以及调速性能优异等优点，是电动汽车首选的驱动电机。而传统的永磁无刷直流电机通常运行在有位置传感器的条件下，这限制了其应用场合。因此，近些年针对对无位置传感器永磁无刷直流电机控制技术的研究成为了热点之一。针对控制系统没有位置传感器的的情形，本文研究了反电势检测电机转子位置的策略，并对相位延迟问题进行了修正，以实现电机的正确换相。针对电机启动时反电动势比较小，很难通过反电动势法进行转子位置的检测的情况，优化三段子启动方法。此外，本文搭建了仿真模型和硬件实验平台，给出了相关的实验的波形和结果。根据实验结果表明：在该控制策略下，BLDC能够在无位置传感器下进行快速启动、平稳的状态切换。
关键词：永磁无刷直流电机；反电动势过零检测；控制策略
1 引言
基于无位置传感器的永磁无刷直流电机控制技术最关键的就是转子位置的检测，反电动势过零检测简单实用：当BLDCM正常运行时，电枢绕组的电流与反动势有一定的关系，在整个电周期内，总共有6个换相点，也就是有6个反电动势为0的点，而换相点会滞后反电动势过零点30°电角度，只要检测反电动势过零点，再延迟30°的时间就是换相点[1]。但在实际操作中会出现换向不准确和启动不成功的现象，本文在实验过程中结合相关文献对该问题进行的部分优化和改善。
2 基于无位置控制策略优化
2.1 考虑滤波相位偏移对策略的修正
因为实际中的位置信息是通过滤波后获取的，所以会产生一定的相位偏移，这将影响电机的正确换相。故实际操作中应当考虑滤波相位偏移时对策略的优化[2]，根据BLDC数学模型可以得出以下公式：
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随着电机目标速度不断增大，这时需要提高滤波效果来确保正确地检测到反电动势过零点信号。这样就有可能会产生一个问题：实际反电动势波形与检测到的波形的相位角也会越来越大，使得修正相位的难度也随着增大，又加上当值越来越来时，延迟30°换相会出现失步的情况，很难保证在很宽的调速区域内下正确换相。为了克服如上问题，本节提出了延迟换相法[4]。换向法的基本思想是检测到反电动势过零点后，延时角度得到切换点。
2.2三段式启动策略优化
预定位策略分析：电机起动前，反电动势为零，无法通过反电动势过零检测法来进行起动，需要确定转子的具体位置进行开环起动。一般的做法是给特定的两相绕组电流，使转子定位到特定的平衡位置以便进行强推加速，比如要把转子位置定位到（101），则电流的流向则为A-B。但是这种方法有两个缺陷：一是定位不准确，电机转子会因为惯性而导致偏离平衡位置，二是容易造成定位失败，需要多次进行定位才能成功[3]。为了避免上述问题，本课题采用了三相绕组通电流定位的方式，在三相电枢绕组电流的作用下，同样大小的电流产生的转矩更大，所以转子很快就达到平衡位置。这种方法的定位时间比较短，通常在二十毫秒左右，当无刷直流电机转子到达预定位置的时后，需要维持几十毫秒后功率管才关断，这样可以防止电机转子在设定的位置不断振荡。
3永磁无刷直流电机仿真模型的建立
本文在MATLAB仿真环境下对BLDCM控制系统在基速以下实现无位置控制算法进行建模[5]。该模型如图3.9所示，其中主要包括电机本体模块、反电动势过零检测模块、电动机换相模块、控制模块PWM控制信号生成模块。
仿真参数使根据实际的永磁无刷直流电机的技术参数设定的，参数设定如下：电动机额定电压Ue，额定转矩为Te=0.16，额定转速为N=4500RPM，极对数为P=4，相电感位L=0.01MH相电阻R=0.16，反电动势系数为3.7V/KPRM，阻尼系数为2.87N.M.S，转动惯量为0.1，PWM频率为20KHZ。根据以上电动机参数的仿真模型可以得到以下仿真结果波形。
电机运行在加载0.6N•m情况下，电流，转速的波形如下所示：
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图2 加载转速波形
MATLAB环境的仿真结果可知：本课题设计的无位置传感器BLDCM控制性能优越，体现在以下几个方面：通用性较强，调速范围宽，启动时间短且平稳，仿真结果按照实际应用的情况模拟得到，该系统有一定的实际应用意义
4 实验验证
本文设计了以控制芯片DSP2812为处理器，由电源电路、逆变电路、驱动电路、反电势过零检测电路、开关光耦隔离电路以及采样电路等组成的电机控制器。整个控制系统充分利用了DSP2812的片上资源和高效的数据处理能力，省去了以往电路中复杂的硬件电路。
根据本文设计的调速系统，在上述的实验平台进行空载实验。电机的参数如下：型号42BLF01，磁极数：8，相数：3，额定电压：24V，额定转速：4000RPM，保持力矩：0.063N.M，额定电流：1.9A，输出功率：26W，峰值力矩：0.18N.M，峰值电流5.7A，转矩常数：0.035N.M/A，反电动势系数：3.7V/KPRM。在电机稳定运行时得到以下实验波形。
图3是电机稳定运行时A相绕组的端电压波形图，其中黄色波形代表的是滤波前A相端电压，蓝色波形代表的是滤波后的A相端电压。
可以看出滤波后的端电压跟理想的梯形波非常接近。
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图4换相信号波形
图4表示为换相信号波形图，其中红色波形代表滤波后的端电压，绿色波形代表中性点电压，黄色波形代表换相信号。由图可知，本文设计的反电动势过零点检测电机转子位置的策略可行性高。
5 结论与展望
本文主要对提高BLDCM无位置控制转子信号精度和电机启动性能提出的优化的方法，并从实验验证了方法的有效性。此外，本文没有考虑转矩脉动对调速的影响，这也是有待进一步研究的地方。
参考文献：
[1]白世东.永磁无刷直流电机控制器的设计[D].西安：西北工业大学，2007：24-25.
[2]赵思聪.无载无刷直流电机控制策略的研究与系统实现[D].复旦：复旦大学大学，2010：32-33.
[3]张磊，瞿文龙，陆海峰，肖伟.一种新颖的无刷直流电机无位置传感器控制系统[J].电工技术学报，2006，21（10）：26-30.
[4]周托.无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计与研究[D].西安：西北工业大学，2006：34-35.
[5]候磊.无位置传感器无刷直流电机调速系统的研究[D].山东：山东大学，2007：47-48.
论文作者:童小健
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/12
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