一种新的空间矢量控制方法在无刷直流电机中的应用

林晓园，江楠，胡淑芳

（福建江夏学院电子信息科学学院，福建福州350108）

一种新的空间矢量控制方法在无刷直流电机中的应用

林晓园，江楠，胡淑芳

（福建江夏学院电子信息科学学院，福建福州350108）

根据无刷直流电机的工作原理，提出了一种新的计算空间矢量的控制方法，利用霍尔检测并估算转子的位置，可以使普通的方波控制器不需要做任何硬件修改，按照此方法达到空间矢量控制的效果。该方法实现简单，稳定可靠，节约了成本，具有很好的工业应用价值。

空间矢量控制；PWM电路；无刷直流电机

无刷直流电机（brushless direct current,BLDC）电机是一种正快速普及的电机类型，它可在家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。现在无刷直流电机控制有方波、正弦波、电流跟踪法和空间矢量法。方波控制方法即通过PWM输出带一定占空比的方波来控制电机的转速（PWM控制[1]方法）；正弦波控制着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波；电流跟踪控制直接着眼于输出电流是否按正弦变化；电机输入电压、电流的最终目的是在空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，而按照产生跟踪圆形旋转磁场来控制PWM电压，这样控制方法就叫电压空间矢量控制[2]。现在无刷直流电机控制多采用方波控制法，但是该控制方法存大噪音大、效率低的缺点。空间矢量控制方法具有效率高，噪音小的优点，但其算法比较复杂，需要大量的计算，因而实现该算法时通常采用高速的单片机或嵌入式处理器来实现，这样会增加成本。本文介绍了一种新的计算空间矢量的控制方法，该方法实现简单，稳定可靠，可以大大降低成本。

1 PWM控制原理

BLDC电机的定子由铸钢叠片组成，绕组置于沿内部圆周轴向开凿的槽中。无刷直流电机是通过按照一定顺序给绕组通电，使电机转动的，如图1所示。

图1 无刷直流电机绕组通电顺序图

图2 无刷直流电机控制图

由于需要不断改变绕组的通电顺序，所以需要对三相绕组进行开关电控制[3]，现在通常是采用PWM逆变器控制MOS管，实现绕组轮流导通，控制电路如图2所示。

按照图1所示的导通顺序控制MOS管使电机运转，Q1、Q4导通，其它关闭；Q1、Q2导通，其它关闭；Q5、Q2导通，其它关闭；Q5、Q0导通，其它关闭；Q3、Q0导通，其它关闭；Q3、Q4导通，其它关闭；共6种状态，即u1、u2、u3、u4、u5、u6这6种状态[4]。

对于每一个有效的工作状态，都可用一个合成的空间矢量表示，其幅值相等，相位不同，随着逆变器工作状态的不断切换，电机电压空间矢量的相位跟着做相应的变化。到一个周期结束，u6的顶端恰好与u1尾端衔接，一个周期的6个电压空间矢量共转过2π角度，形成一个封闭的正六边形。这样一个电压空间矢量运动所形成的六边形轨迹可以认为是磁链矢量的运动轨迹[2]，如图3所示。

根据分析知道，在转子每转60°就需要切换通电顺序。霍尔无刷直流电机中,是通过3个霍尔元件来获取转子的位置，为了获得对称的电势和磁势，霍尔元件一般放置在各相带绕组的中间位置，可以放置在A、C、B三个相带的中间位置,即为60°间隔放置;也可以放置在A、B、C相带位置,即为120°间隔放置。通过检测霍尔元件的值来控制PWM输出波形，就可实现对电机的控制。霍尔元件值与PWM控制及相电流的对应关系如表1所示。

图3 六边形轨迹矢量图

表1 顺时针转动时序

2 新的空间矢量控制法

电机内部的磁链轨迹是圆形，而常规六拍逆变器供电的电机只产生正六边形的旋转磁场，显然不利于电机的匀速旋转，因此需要对该控制方法进行改进。为了能够得到一个接近于电机内部圆形的磁链轨迹[5]，可以运用矢量合成的方法，得到一个近似圆形的磁链轨迹，如图4所示。

根据图4所示，其中u和u1、u2的幅值相同，则在u1上的分量为：

在u2上的分量为：

三相电机中除了图1中所示的6种状态外，还有两种状态，即三相都接正极或都接负极两种状态，视为无效状态。在给定PWM周期T期间，u1的输出时间为T1，而u2的输出时间为T2，T0则为无效状态的时间，则T=T1+T2+T0=PWM周期。

图4 电压空间矢量合成

则T1表示Q1、Q4导通时间，T2表示Q1、Q2导通时间。控制器配置PWM输出为中心对齐PWM信号，使PWM信号以周期的中心对称。这种配置方法在每个周期内可产生两个线间脉冲。有效开关频率加倍，纹波电流减小，同时并未增加功率器件的开关损耗。图2所示的PWM逆变器中Q1和Q0、Q2和Q3、Q4和Q5是互补的，PWM1、PWM3、PWM5在周期T内PWM输出如图5所示。

图5 周期T内PWM

3 结果及讨论

根据式（4）和式（6）得知，只需要知道θ的值就可计算出T1、T2的导通时间。而通过霍尔来检测转子的位置，只能每隔60°检测到一次霍尔变化，无法知道任意的角度θ。传统的正弦波无刷直流电机需要专门转子位置传感器如旋转变压器、光电编码器来产生正弦波参考信号，这些传感器价格昂贵，而且安装高度复杂。常用的正弦波无刷直流电机转子位置估计方法有：卡尔曼滤波法、假想坐标法、磁链法、电感法[6]。但是这些方法算法复杂，计算量大，需要高速运算处理器，大大增加了成本。

采用霍尔检测简单估算法，即每60°检测仍然通过霍尔检测，而60°内平均6等分，因此相当于在360°的电机内，每10°形成一个空间矢量，这样就形成一个近似圆形的磁链圆，大大提高的效率，以及降低了噪音。比如通过检测一次霍尔变化的间隔时间做为下一个60°的总时间，然后将这个时间6等分，将这个时间值写入定时器，在定时器结束时改变T1和T2的值，来合成一个新的矢量，即每10°形成一个空间矢量，这样就形成一个36边形的空间矢量，近似圆形。其中ψ1和ψ2的值如表2所示。

表2 ψ的计算值

根据上述方法来模拟计算得出三相绕组中每相的PWM输出如图6所示，这与通过空间矢量方法计算得出的每相的PWM输出波形基本吻合。

图6 PWM输出控制结果图

该方法实现简单，可以通过普通的单片机实现该控制算法，而通过该方法得到的效果几乎与通过复杂的空间矢量方法得出的控制效果相似，使得现成的方波控制器在不需要修改硬件的情况下得到与采用空间矢量控制方法相同的效果，大大降低了成本，具有很好的工业应用前景。

[1]余虹,付荣,蔡长美,等.基于LM3S615的数码发电机的输出波形控制[J].三明学院学报,2011,28(6)：54-59.

[2]严伟,龚幼民.空间矢量控制算法电路实现[J].微电子学与计算机,2004,21(7)：153-159.

[3]MOHAMMED O A,LIU S,LIU Z.A phase variable model of brushless DC motor based on finite element analysis and its coupling with external circuits[J].IEEE Transactions on Magnetics,2005,41(5)：1576-1579.

[4]SERGIO BUSQUETS MONGE,BORDONAU J,BOROYEVICH D,et al.The nearest three virtual space vector PWM-a modulation for the comprehensive neutral-pointbalancing in the three-level NPC inverter[J].IEEE Power Electronics Letters,2004,2(1)：11-15.

[5]CHEN CHERN LIN,LEE CHE MING,TU RONG JIE,et al.A novel simplified space-vector-modulated control scheme for three-phase switch-mode rectifier[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1999,46(3)：512-516.

The Application of a Novel Space Vector Control Method in Brushless DC Motor

LIN Xiao-yuan，JIANG Nan,HU Shu-fang
(School of electronic communication engineering,Fujian jiangxia Uninersity,Fuzhou350108,China)

According to the working principle of brushless DC motor,a novel space vector control method of brushless DC motor is presented in this paper.This method uses hall to detect and estimate the position of the rotor.By this method, the ordinary square wave controllers can achieve the effect of the space vector control without any hardware modifications. Because of the performance of simple implementation,good stability and reliability and low cost,this method has an excellent value for industrial application.

space vector control;PWM circuit;brushless DC motor

TM33

A

1673-4343（2013）04-0052-04

2013-03-20

福建省科技厅基金项目(JK2012030）

林晓园，女，福建福州人，助教。研究方向:电机控制。