基于无位置传感器控制的定频升压起动法

刘红松，　迟长春，　吕腾飞，　夏业中

(1. 上海电机学院 电气学院, 上海 201306;2. 新安乃达驱动技术有限公司, 上海 201108)



基于无位置传感器控制的定频升压起动法

刘红松1，迟长春1，吕腾飞1，夏业中2

(1. 上海电机学院 电气学院, 上海 201306;2. 新安乃达驱动技术有限公司, 上海 201108)

摘要分析无位置传感器控制策略传统起动方式，研究了无位置传感器控制策略的纯软件定频升压起动法，并给出了具体的实现方案。与传统升压升频起动方法相比，该方法省略了预定位环节，避免了起动时电动机的反转现象，提高了电动机带负载起动的能力。实验验证了该方法的可行性。

关键词直流无刷电动机; 无位置控制; 定频升压; 换相点

基于反电动势的无位置传感器控制策略，在电动机静止或低速运行的状态下，由于不能准确检测出反电动势而不能判断转子的位置。在该情况下，需要特定的方法来实现电动机的起动[1-3]。目前，基于反电动势的无位置传感器控制策略的起动方法有三段式起动法、预定位起动法和升频升压起动法[4-6]。上述无位置传感器控制策略的起动方法各有优劣： ① 三段式起动法在轻载、小惯量负载条件下具有较好的起动效果，同时通过优化电动机的加速曲线，可确保电动机顺利起动。而当“反电动势信号”与外同步信号相位差过大时，可导致电动机失步，即使能避免失步，也必然导致切换时电动机转矩较小，故易受干扰；同时受电动机负载转矩、外施电压、加速曲线及转动惯量等诸多因素影响，负载适用性差，通用性不强[7]。② 预定位起动法的起动可靠，实现简单、方便，对于任意转子初始位置角都能准确地实现预定位，保证电动机从零速起动并快速切换到无传感器闭环方式运行；但其对电动机的惯量、负载转矩依赖性较大，对切换时间要求较严，当电动机惯量不同或带一定负载起动时，需要调整切换时间，否则可能造成起动失败或电动机反转现象。③ 升频升压起动法对切换时间没有严格要求，在一定升频速度范围内可实现空载、半载以及带一定负载惯量情况下的可靠起动，无反转现象；但是附加的硬件电路增加了电动机尺寸，降低了电动机的可靠性[8]。目前，升频升压起动法已应用到无刷直流电动机中。由于电动自行车所用的电机多为小功率无刷直流电动机，对体积有较为严格的要求，且起动负载变化范围较大，不允许有反转现象等运行要求，故上述3种起动方法都不适用于电动自行车领域[9]。

本文研究了一种纯软件定频升压的起动方法。该方法省略了预定位环节，避免了起动时电机的反转现象，提高了电动机带负载起动的能力，省略了传统升压升频起动中的硬件电路，降低了电动机控制系统的复杂性，提高了电动机运行的可靠性。

1纯软件定频升压起动法

1.1换相频率和升压范围

由无刷直流电动机的原理可知，反电势的大小与电动机每极的磁通量及运行速度密切相关；当保持磁通量不变时，反电势与转速成正比。因此，当速度为零或很小时，反电势可以忽略不计，故此时基于反电势检测的方法是无法有效检测到电动机的转子位置，就无法获得电动机三相的换相顺序，也就无法起动电动机。本文研究的纯软件定频升压起动法是在知道电动机转向的情况下，给三相绕组A、B、C一个固定的换相顺序及换相频率，且每相的导通时间也相同，在此过程中不断提高输入三相绕组的电压，即提高脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)占空比，直到当电动机内部产生的电磁力矩大于负载力矩时，就完成了电动机的起动。

图1所示为将小功率无刷直流电动机转子的圆周运动轨迹展成一条直线时的转子运动角度图。

图1　转子起动过程示意图Fig.1　Schematic diagram of the starting process of a rotor

图中，β1、β2、β3、β4、β5、β6分别对应AB、CB、CA、BA、BC、AC相通电期间转子转过的角度；tN为第N次换相绕组的导通时间，即转子转过βN所需的时间，N=1，2，…，6。由电动机的物理结构可知，定子绕组在导通期间，转子的旋转角度相等，即β1=β2=β3=β4=β5=β6。在起动阶段，随着转子速度不断提高，通过βN所需的时间tN不断缩短。若知道电动机起动过程中转子经过每个βN所需要的时间，就可以准确地控制定子绕组的换相[10-12]。

在起动过程中，定子磁场中转子受力F、力矩M与定子线圈中的反电动势E、电流I的关系如下：

F=nBIL

(1)

M=Fr=nBILr

(2)

E=nBvL=nBωLr

(3)

(4)

式中，n为转子线圈匝数；B为磁场场强；L为切割磁力线线圈长度；r为转子半径；v为定子线圈相对线速度；ω为转子角速度；U为定子绕组通电两相外加电压；R为定子线圈等效电阻；其中，n、B、L、r、U、R为常量。

将式(3)、(4)代入式(2)，得

(5)

令k1=nBLrU/R，k2=(nBLr)2/R，根据角动量定理，则

(6)

式中，J为转动惯量。整个起动过程不需要考虑负载的大小，也无法知道负载的大小，其主要思想就是以固定的换向频率逐渐提高PWM占空比，总会有一个时刻的M大于负载转矩TL，使得电动机起动。

令k3=k1/J，k4=k2/J，代入式(6)得到一个典型的一阶线性非齐次微分方程，解得

(7)

(8)

根据直流无刷电动机的换相机理，当电动机处于正常的同步运行状态时，各导通相通电期间转过的角度是相等的；而在加速过程中，随着电动机转子角速度的增加，导通相的通电时间逐渐减小，即β1=β2=β3=β4=β5=β6，t1>t2>t3>t4>t5>t6。

本文采用的纯软件定频升压起动法，在电动机起动过程中，驱动电路换相的频率相等，各导通相导通的时间也相等，即t1=t2=t3=t4=t5=t6=…=tk=tN。起动过程中，转子处于加速状态，其角速度不断增加，转子在相同时间内通过的电角度也不断增大，即β1<β2<β3<β4<β5<β6<…<βk。各导通相的导通时间相等，则定子旋转磁场的旋转速度恒定。旋转磁场在相同的tN内，βN>βk，故在转子速度达到旋转磁场的速度前，无刷直流电动机处于失步状态。

旋转磁场的角速度为

ωs=βN/tN

(9)

当ω<ωs时，转子速度小于旋转磁场速度，转子处于失步加速状态。

当ω=ωs时，转子速度等于旋转磁场速度，转子开始进入同步运行状态。

由上述分析可知，当ω=ωs时，转子速度等于旋转磁场速度。为进入同步状态，转子不再加速，此时要求M-TL=0，其中，TL为试验测出的最大起动负载转矩，结合式(5)可得

(10)

将式(9)代入式(10)，得

(11)

因此，在起动阶段，电压的变化范围为

(12)

综上所述，本文提出的纯软件定频升压起动法中固定的换相频率为f1=1/tN，升压范围为

其中，固定的换相频率f1由实验测得，略大于能准确检测到定子绕组反电动势时驱动电路的换相频率。

1.2控制过程

利用纯软件定频升压起动法起动电动自行车有以下3个阶段。

(1) 转子失步加速阶段。由于没有强制定位的环节，在电动自行车起动初始，无刷直流电动机三相以固定的频率换相，同时逐渐增大PWM占空比；此时，转子转速较低，将换相时间设定为固定值tN，换相时间远小于电动机正常工作时的换相时间，电动机处于暂时失步状态，此时，电压范围为

在失步加速过程中，转子在电磁转矩的作用下不断提高速度。

(2) 转子外同步运行阶段[13]。由式(5)可知，始终有M>0，即每个周期的转矩平均值大于零，转子在力矩的作用下不断加速。由于定子旋转磁场的速度固定，故转子的转速会逐渐接近定子旋转磁场的速度，当输入电动机的三相PWM占空比增大达到预定值，即

时，转子速度不再提高，ω逐渐达到βN/tN，此时，电动机定子和转子转速相同，且M=0，电动机进入外同步加速阶段。

(3) 自同步运行阶段[14]。当转子达到一定转速后，就能够在定子绕组中感应出足够大的电动势，此时硬件电路能够检测到转子位置，即可对切换条件进行判断。当控制电路中输入的换相信号与换相点检测电路检测到的转子位置匹配时，电动机的运行状态就从定频升压起动阶段切换到基于反电动势比较的无位置传感器控制阶段，此时，完成了电动机的起动。

由于电动机在起动初始处于失步运行状态，且负载的可变化性，导致加速曲线的精度不高，本文将升压曲线拟合成一条直线(见图2)，即升压曲线按固定比例增加，以反映PWM占空比随时间的线性变化。

图2　纯软件定频升压起动的升压曲线Fig.2　Voltage rising curve of fixed frequency and increasing voltage starting with pure software

由图可见，在加速阶段，随着时间的增加，PWM占空比不断增加，使驱动电压逐渐变大，从而使转子所受的力矩也逐渐增大，导致电动机的转速不断加快，最终使电动机达到预定的速度。该预定速度能够为系统提供足够高的反电动势电压来稳定地检测转子位置的信息。

电动机起动流程图如图3所示。

图3　电动机起动流程图Fig.3　Flow chart of motor starting

本文研究的定频升压起动方法，在起动阶段，换相频率与负载无关，升压过程中对PWM占空比的控制只与电动机参数有关。因此，在电动自行车起动负载不确定的工作环境下，该起动加速方法可以解决外界扰动和负载扰动对电动机起动的影响，以及传统起动方法中电动机反转的问题。

2起动程序设计

无刷直流电动机在起动时，由于定子绕组反电动势的值较小不易检测，无法进行基于反电动势的无位置传感器控制，故本文采用纯软件定频升压方法来实现电动自行车车载无刷直流电动机的起动。整个起动过程包括： 初始化、定频升压开环加速和反电动势检测及切换条件判断。起动的初始化流程图如图4所示。

图4　起动初始化流程图Fig.4　Flow chart of motor starting initialization

在起动程序正式运行之前，先关断所有金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transister, MOSEFT)，规定PWM占空比的初始值，并限定起动过程中的最大起动电流[15]；在起动过程中，若重新起动的次数超过10次，则判定该起动失败。

本文设计的纯软件定频升压起动程序流程图如图5所示。该起动法没有预定位环节，直接通过软件逐渐增加PWM驱动波形占空比，并保持换相频率不变。由于定子绕组的旋转磁场强度是从零开始逐渐增加，故电动机转子沿着旋转磁场的方向逐渐加速，不会出现初始时刻反转的现象。某一时刻，当电动机的电磁转矩大于负载转矩时，电动机就起动成功了。

图5　起动程序流程图Fig.5　Flow chart of motor starting program

在电动机由失步加速状态转变为外同步加速状态的过程中，定子绕组的反电动势不断增加[11]。当换相点检测电路能够根据反电动势检测到定子绕组的换相时刻时，完成切换条件判断。若换相点检测电路检测到的换相点和外同步加速的换相点连续若干次相等，则满足切换条件，起动过程结束，控制状态由起动阶段切换到反电动势控制运行状态；若切换条件不满足，则继续进行外同步加速。若定子磁场旋转的速度达到了预定值，而切换条件仍不满足，则起动失败，重新起动。

3实验验证

为了验证本文方法的有效性，在无刷直流电动机控制系统测试平台上进行测试。实验平台由无刷直流电动机本体、控制器、测功机等组成，如图6所示。

图6　无刷直流电动机控制系统测试平台Fig.6　Test platform of brushless DC motor control system

实验采用的无刷直流电动机参数如下： 极对数32，额定电压48V，额定电流9.5A，输出功率250W，效率大于80%，额定转速290r·min-1；调试所用电源为YZ120V-3A型号的直流稳压稳流电源，电压为0～120V可调，电流为0～30A可调。电动自行车实验所用的电源为该车标配的蓄电池，额定输出电压为48V。

图7为不同负载转矩，起动时的转速、电流曲线。图中采样时间为50ms。由图7(a)可见，刚起动时，负载电流出现上冲及电流尖峰现象，这是由于电动机带载起动，且速度从零开始；但由于负载较小，故电流上升到最大之后又会下降，直至稳定。同样，图7(b)也出现了起动电流较大的现象，但由于TL较大，为了维持当前转速，则电流需要保持在一个较大的水平，故没有出现下降。以图 7(b) 为例，分析本文无位置传感器控制策略下的起动波形。由图7(b)可见，A点到B点为电动机的定频升压起动加速阶段，AB段为电动机转子处于失步加速状态，转子在定子固定频率的旋转磁场的拖动下逐渐加速，直到速度等于旋转磁场的速度，即图中B点的位置，电动机处于外同步运行状态。B到C点为切换条件判断阶段，电动机进入自同步运行状态后，反电动势已经足够大，当换相点检测电路可以准确检测到换相点、且满足切换条件时，电动机由定频升压起动阶段切换到无位置传感器控制运行的阶段，即C点。C到D点为电动机处于无位置传感器控制下的加速阶段。此时，转速继续增加，为维持转速的增加，电流也继续增大。D到E点为在电动车转把的调节作用下，转子速度继续增大到转把的给定输入值，之后保持匀速运行的阶段。

图7　不同负载转矩，起动时的转速、电流曲线Fig.7　Speed and current curves of different load torque starting

由图7还可见，在不同负载的起动条件下，电动机运行的初始阶段加速曲线平滑，没有明显波动。电动机控制系统在3种不同程度的负载下均可以成功起动，且没有反转现象。实验表明了无位置传感器控制系统可以带不同的负载成功起动，验证了本文提出的纯软件定频升压起动法的正确性。

4结语

本文分析了现有无位置传感器控制策略起动方法的优缺点，研究了纯软件定频升压起动方法，对该起动方法进行了详细说明，并给出了具体的实现方案。最后，通过实验验证了该起动方法的可行性。纯软件定频升压起动法不需要额外的硬件电路，提高了控制系统的可靠性，而且避免了传统起动方法中电动机的反转现象，能够实现电动机的带负载起动，满足了电动自行车对无刷直流电动机的起动要求。

参考文献

[1]李自成.无刷直流电机无位置传感器控制关键技术研究[D].武汉： 华中科技大学，2010.

[2]刘海亭，汪剑鸣，窦汝振，等.无刷直流电机启动过程仿真研究[J].计算机仿真，2012，12，29(1)： 389-394.

[3]林东轩.直流无刷电机无传感器启动方法研究[D].广州： 华南理工大学，2012： 29-47.

[4]吴筱辉，程小华，刘杰.反电势法检测转子位置的直流无刷电机系统起动方法[J].中小型电机，2005，32(5)： 60-63.

[5]廖承喜，朱志杰，翁微.无刷直流电机三段式自起动关键技术研究[J].电力电子技术，2008，42(5)： 61-62，65.

[6]汤长波，顾敏明，潘海鹏.无位置传感器无刷直流电机启动方法研究[J].浙江理工大学学报，2011，28(6)： 886-889.

[7]沈建新，吕晓春，杜军红，等.无传感器无刷直流电机三段式起动技术的深入分析[J].微特电机，1998(5)： 7-10.

[8]万晓凤，康利平，郑博嘉.无位置传感器BLDCM的软件升频启动策略[J].工程设计学报，2014，21(6)： 596-602.

[9]邓灿，张森林.一种新的无刷直流电机起动方法[J].微电机(伺服技术)，2002，35(6)： 29-31，60.

[10]李志强，夏长亮，陈炜.基于线反电动势的无刷直流电机无位置传感器控制[J].电工技术学报，2010，25(7)： 38-44.

[11]曹少泳，程小华.无刷直流电机无位置传感器的转子位置检测方法综述[J].防爆电机，2007，42(1)： 35-39.

[12]齐利民，刘国海，贾洪平.电动车用无刷直流电机无位置传感器控制[J].微电机，2011，44(11)： 56-59.

[13]童小健.无位置传感器永磁无刷直流电机控制策略研究[D].深圳： 深圳大学，2015： 16-18.

[14]赵展.无位置传感器BLDCM控制系统的研究[D].大连： 大连理工大学，2010： 14-27.

[15]LYU Tengfei，CHI Changchun，YU Yaofei.Research on sensorless control strategy of motor controller for electric bicycle[C]∥3rd International Conference on Material，Mechanical and Manufacturing Engineering (IC3ME 2015).[S.L.]: Atlantis Press，2015: 1291-1295.

收稿日期：2015-12-15

基金项目：上海市自然科学基金项目资助(12zr1411700)；上海市闵行区科技项目(2014MH134)；上海电机学院研究生创新项目资助(A1-0225-15-005-08)

作者简介：刘红松(1990-)，男，硕士生，主要研究方向为电机与智能电器，E-mail： l850796567@sina.cn

文章编号2095-0020(2016)03-0134-07

中图分类号TM 38

文献标识码A

Method of Starting with Fixed Frequency and Increasing Voltage without of Position Sensor Control

LIUHongsong1，CHIChangchun1，LÜTengfei1，XIAYezhong2

(1. School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China；2. Ananda Drive Techniques Co., Ltd., Shanghai 201108, China)

AbstractTraditional starting methods of non-position sensor control is analyzed. A pure software method of starting with fixed frequency and increasing voltage without position sensor control is studied. An implementation scheme is given. Compared with the traditional method of raising frequency and raising voltage. This method omits the rotor pre-setting process to avoid the reverse phenomenon of motor starting, and improves motor’s starting ability with a load. Feasibility of the method is verified by experiments.

Keywordsbrushless DC motor; sensorless control; fixed frequency and increasing voltage; reversing point