无位置传感器无刷直流电机启动的新方法研究*

陈德靖，侯文，郑浩鑫

（1.中北大学仪器与电子学院，太原030051；2.中北大学信息与通信工程学院，太原030051；3.中北大学机械与动力工程学院，太原030051）

无位置传感器无刷直流电机启动的新方法研究*

陈德靖1，侯文2*，郑浩鑫3

（1.中北大学仪器与电子学院，太原030051；2.中北大学信息与通信工程学院，太原030051；3.中北大学机械与动力工程学院，太原030051）

针对无位置传感器无刷直流电机的启动问题，提出了对三段式闭环启动中的预定位、外加速过程的改进方法。在转子定位阶段采用基于空间电压矢量调制的短时脉冲来获得转子初始位置，精度可达15°。加速阶段采用施加空间电压矢量，通过检测母线电流变化率确定换相时刻，当速度达到额定转速的80%后，通过反电动势法进行换相。通过仿真分析可知，该方法能够有效的实现电机启动，并提高了启动的可靠性。

无刷直流电机；三段式启动；空间电压矢量；无位置传感器

传统的无刷直流电机内部的位置传感器在很多高压、高温、高振动、潮湿、等恶劣环境下降低了系统的可靠性。舵机的工作环境常伴有高温、高压、高振动，而且工作空间狭小，探索在舵机中使用无位置传感器无刷直流电机来取代有位置传感器的无刷直流电机就显得尤为必要。目前，众多文献对无位置传感器无刷直流电机的启动问题进行了深入的研究，文献［1-3］中均在转子预定位阶段，提出了对预先设定的两相电枢绕组施以短暂的直流电获得转子初始位置，但此方法往往由于转子的惯性达不到很好的效果，而且当转子初始位置的永磁磁势与通电绕组的合成磁势成180°时，无法定位转子。文献［4-6］在加速阶段中利用机械运动方程获得加速过程的换相时间，在实际应用中运动方程的各参数难以获得，且负载转矩通常在折算过程中会引入一些误差。文献［7］在加速阶段采用拟合函数的方法过于依赖采样时的经验，使得应用时不灵活，且软件编程复杂。文献［8-9］通过检测比较直流母线峰值电流，获得换相位置，此方法使电机在启动加速过程的全程频繁地加入检测电压脉冲造成的绕组电流脉动，使得效率下降。

本文中转子预定位与加速过程的转子位置检测均基于铁芯饱和效应，并对加速环节进行了深入讨论，使加速过程中PWM调制信号的频率比舵机正常运转所用的频率低，针对在舵机设计中使用无位置传感器无刷直流电机启动的情况进行了仿真。

1　转子定位

在启动永磁无刷直流电机中，无论是否有位置传感器、都需要开关控制电路，以实现定子绕组的正确换相。本文利用了电机的控制系统，实现编程控制、启动电流信号的采集等，控制系统的电路框图如图1所示。

图1　舵机研究中电机控制电路框图

当电机逆变器开关导通顺序依次为下式时，电机在一个周期内形成了6个连续跳变的定子合成磁势。

依据空间电压矢量合成所用的电压平均值原理，三三导通方式可合成6个空间电压矢量V1～V6，当功率开关全都关闭时，记为零矢量V0，7个空间电压矢量如图2所示。这7个定子磁场电压矢量将在电机启动的转子预定位阶段及转子加速阶段使用。

图2　空间电压矢量图

1.1转子定位原理

无刷电机任一相均可写出其电压平衡方程，以A相为例，

式中，ua为无刷直流电机的相电压，R为相电阻，ia为相电流，ea为相反电动势。由于电机的启动瞬间没有反电动势，相电阻很小，可忽略ea和Ria项，于是有

即当相电压为常量时，电机绕组电感La与定子绕组电流的变化率成反比。而转子位置和电感的对应变化规律［8］示意图如图3所示，当ia≠0时，绕组磁势与永磁磁势一起作用，影响了绕组磁路的饱和度及电感的值，这种影响随转子位置不同而变化。当转子角θ=0和θ=π时，A相绕组与转子永磁磁势交链最多，饱和度最高，电感值最小；θ=π/2 和θ=3π/2时，转子永磁磁势与A相轴线正交，A相磁路饱和度最低，电感值最大。由电机转子位置与电感的关系及电感与相电流变化量的关系，推知可通过检测直流母线上采样电阻的电压，来得到转子的位置［10］，因此可以利用电机的磁路饱和效应来检测转子的位置。

图3　转子位置和电感的关系

1.2转子预定位过程

在转子预定位阶段，依次给电机绕组输入等时的短时空间电压矢量V1、V0、V2、V0、V3、V0、V4、V0、V5、V0、V6、V0，输入短时电压脉冲宽度与电机的电气时间常数Td有关［11］。在电枢端施加电压后，经过Td段时间，电枢电流达到稳定电流的63.2%。为保证在定位转子阶段控制系统能够检测到电流，转子却没有转动，应根据不同型号的电机进行探讨尝试以得到脉冲宽度与电气时间常数间的对应关系。通过母线上检测电阻的电压分别得到短电压矢量对应的母线电流峰值I1、I2、I3、I4、I5、I6，此时In=max｛I1，I2，I3，I4，I5，I6｝，将6个电流值排序，假设最大电流为In，则相比于其他电压矢量转子更靠近Vn，即位于Vn-1和Vn+1之间的扇区，设转子位置角为θr，可推断转子位于（n-1/2）·60°＜θr＜（n+1/2）·60°，再比较In+1和In-1的大小，若In+1>In-1，则相比于Vn-1转子更靠近Vn+1，即n·60°＜θr＜（n+1/2）·60°，此时可推测转子位于（n+1/4）·60°。同理，当In-1>In+1，则相比于Vn+1转子更靠近Vn-1，（n-1/2）·60°＜θr＜n·60°。此时推测转子位于（n-1/4）·60°，误差为±15°。图4为转子位置估计过程，d轴表示转子位置，q轴表示定子磁势方向。图5为转子定位流程图。

图4　转子位置估计

图5　为转子定位流程图

2　加速与切换过程

2.1换相周期计算

在电机转动中，逆变器开关切换次数与PWM调制的工作频率有关，此时若想通过施加转子位置（转子最靠近Vn）相邻的短时电压矢量Vn+1、Vn+1，检测母线电流变化率来获得换相时间，需考虑这两个短时脉冲施加的时间周期，及何时开始加入检测电压。因此，需要讨论无刷直流电机转动过程中的单位工作周期及换相周期。

无刷直流电机的实际控制过程是一个离散的过程，这种离散控制的最小周期是PWM调速时逆变器开关导通和关断一个周期所需的时间，即一次PWM周期，可称为单位工作周期Tu，PWM调速系统开关频率又称为工作频率fu。电机转速定义为n，p为电机极对数，取电机转动60°为一拍，m为一拍中所包含的单位工作周期数。电机一圈转动时间的方程［12-13］为

则得到m=10·fu/n·p，当m为非整数，余数为r时，当要求电机启动后转速为n时，每一拍的单位工作周期数为m，即当电机转过个工作单位周期，进行一次换相，换相时间周期记作Th，则有

当转速为0.8n时，每一拍的单位工作周期数为m′=12.5·fu/n·p，此时换相周期为Tk，则有

2.2加速过程

使用短时电压矢量检测针对在电机在启动加速过程中频繁的加入检测电压脉冲造成的绕组电流脉动，降低了效率，本文为了解决上述问题，拟采用如下方法，即在加速阶段使用中高频PWM调制信号，降低了在一拍内逆变器开关频次，增加了在一拍内的单位周期，以使两个用于检测转子位置短时电压矢量的周期在一个PWM开关周期内。在换相过程中，记录每次换相的时间，并从换相开始计时，记作t，根据电机启动后的稳定速度n及工作频率fu得到换相时间周期Th，当启动时每次换相后的时间t≥Th时，开始以一定频率在控制中加入短时电压矢量，并检测峰值电流变化率ΔIn+1和ΔIn-1，当|ΔIn+1-ΔIn-1|＜ΔI时，进行换相，此时电机处于转动状态，通入短时电压矢量的时间应远小于电机电气时间常数。当电机转速达到要求转速的80%时，已可以检测出反电动势过零点。转速在额定转速的80%时的换相周期为Tk，当|t-Tk|≤Δt时，切换至反电动势过零检测法进行换相。图6为利用上述方法起动的流程图。

图6　启动过程的流程图

3　仿真与实验结果

在MATLAB/SIMULINK中建立了仿真模型，三相无刷直流电机电机仿真模型的参数如下：额定电压UN=48 V；额定转速nN=1 500 r/min；额定转矩TN=0.3 N·m；相电阻R=0.36 Ω；电枢电感L=0.16 mH；转动惯量J=0.000 6 kg·m2；极对数p=2。

图7为电机空载时启动的转速变化图，由图可知，电机加速过程转速平稳，电机在1 200 r/min时切换至反电动势检测过零点方法检测转子位置，在切换时转速稍有波动。图8为转子位置图，显示了电机在加速过程中转子位置随时间的改变，转子位置变化连续、稳定，不存在失步等问题，由图7、图8可知此方法能够顺利完成电机启动。图9为当给电机加额定转矩T=0.3 N·m时的转矩响应情况，由图可见，加入负载后刚开始有一些波动，大约在转速稳定时，转矩趋于稳定。图10为电机C相电流，在0.35 s以后C相电流是稳定的，此时转速已达到稳定。

图7　电机转速图

图8　转子位置图

图9　转矩响应图

图10　相电流曲线

4　结论

本文在短时电压矢量脉冲闭环启动的基础上进一步提出了中高频启动方法，该方法有效的减少了启动加速过程中检测脉冲的数量，改善了启动效果，克服了传统开环方法启动易失败的问题，并进一步研究了换相周期与检测时间的关系，有利于进一步改善启动的研究。以上结论，尚待在舵机测控的相关实践中验证，特别是在随机干扰环境中验证，以求进一步改进无位置传感器无刷直流电机启动的方法和技术。

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陈德靖（1989-），女，汉族，内蒙古通辽人，中北大学在读硕士研究生，主要从事自动化测试与控制技术的研究，chendejing@126.com；

侯文（1967-），男，教授，山西太原人，中北大学教授，硕士生导师，主要从事自动化测试与控制技术，动态测试与智能仪器的研究，13327512575@qq.com。

Further Study for the Sensorless Brushless DC motor Start Method*

CHEN Dejing1，HOU Wen2*，ZHENG Haoxin3
（1.School of Instrument and Electronics，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.School of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.School of Mechanical and Power Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Aiming at the starting problem of sensorless permanent magnet brushless DC motor（BLDCM），an im⁃proved start-up strategy in the initial rotor-position and the acceleration process which is based on closed-loop 3-step start-up strategy is proposed.In the rotor positioning stage，short space vector modulation is used to obtain initial rotor position，and the accuracy is up to 15°.In the rotor acceleration stage，short space vector is applied to determine the stator phase commutation by detecting the bus current rate of change.After the rate reaches 80%of rated speed，the method of back EMF is turned to use for commutation.The simulation analysis shows that this method can effectively implement motor starting，and the reliability of the motor start has improved.

BLDCM；three-step start；space voltage vector；without Position Sensor

TM38

A

1005-9490（2016）02-0407-05

EEACC：832010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.033

项目来源：山西省自然科学基金项目（2014011024-6）

2015-06-23修改日期：2015-07-30