人工心脏无位置传感器无刷直流电动机非导通相端电压分析

尹成科，谈雪丹

(1.苏州大学，苏州 215021； 2.苏州同心医疗器械有限公司，江苏苏州215125)



人工心脏无位置传感器无刷直流电动机非导通相端电压分析

尹成科1，谈雪丹2

(1.苏州大学，苏州 215021； 2.苏州同心医疗器械有限公司，江苏苏州215125)

人工心脏无位置传感器无刷直流电动机轻载时，通过采集PWM关闭期间的非导通相端电压来获取反电势过零点存在一定的局限。以逆变桥上管PWM调制、下管恒通的控制方法为例，理论分析了非导通相端电压在PWM导通与关断期间的波形，并进行了实验。结果表明，在PWM关闭阶段，非导通相端电压会受到导通相悬空、非导通相嵌位等影响发生波动，反电势采集时需加以注意，避免引起换相故障。

人工心脏；无位置传感器无刷直流电动机；非导通相端电压

0 引 言

人工心脏作为一种植入式医疗器械，通过辅助或替代衰弱的心脏实现泵血功能，是目前一种无法替代的最终治疗手段[1]。作为人工心脏的核心部件之一，电机的体积和性能对人工心脏的影响巨大。无刷直流电动机(以下简称BLDCM)因其结构简单、调速性能好、控制简单等特点[2]，在人工心脏领域应用日趋广泛。

BLDCM电子换相是否精准直接影响电机的性能，电子换相的依据是转子位置是否过零点[3]。直接反电势法[4-6]采用逆变器上桥臂PWM调制、下桥臂恒通(H-PWM-L-ON)控制策略，在PWM打开期间，非导通相端电压为该相绕组反电势叠加某偏置电压，而在PWM关断期间，非导通相端电压近似为该相绕组的反电势。因此在PWM打开或关闭阶段采集非导通相端电压，通过分析可以得到反电势过零点信号。该方法无需采用额外的位置传感器，体积小，可得到无相位滞后的反电势过零点信息，相对传统检测方法，它具有反电势过零点检测准确、电机运行高效平稳等优点，适合应用于人工心脏BLDCM使用。

目前直接反电势法多数是基于PWM关闭时导通相维持续流状态、非导通相的端电压平稳的假设。然而人工心脏在辅助天然心脏过程中，会感受到人体天然心脏搏动的冲击，载荷在轻载到满载之间变化。人工心脏在轻载或空载运行时，PWM占空比较低，电机绕组内的电流较小，可能会有PWM关闭时导通相续流结束的状态存在。同时，非导通相则可能出现因反电势幅值变化导致其上下桥臂的二极管导通，产生被嵌位现象。上述现象都会引起非导通相端电压产生波动，影响反电势过零点判断。为此，本文以人工心脏电机为应用对象，从理论上分析非导通相端电压波形变化情况。实验结果显示，PWM关闭阶段，非导通相端电压会受到导通相悬空、非导通相嵌位的综合影响而产生波动，在采集非导通相端电压采集数据时需考虑避开上述波动范围。

1 BLDCM控制系统

人工心脏电机反电势为正弦波，采用三相绕组星形接法，驱动电路采用三相逆变桥结构，控制采用二二导通、三相六状态、H-PWM-L-ON的策略，驱动控制简化图如图1所示。在运行过程中每相绕组导通120°电角度，任意时刻只有两相绕组通电，第三相绕组处于非导通状态。每一个PWM周期内，电机控制器只采集一次非导通相端电压，低占空比时在PWM关断(PWM-OFF)阶段采集，高占空比时在PWM打开(PWM-ON)阶段采集。从所采集的非导通相端电压中提取反电势过零点时刻，指导电机正确换相。由于换相时续流会导致非导通相端电压波形异常，通常该阶段时间较短，因此等待此续流阶段结束，再进行反电势过零点信息处理。基于此，本文不考虑换相续流阶段的情形，仅对非换相续流阶段的非导通相端电压波形进行分析。

图1 电机驱动控制简化图

2 非导通相端电压分析

假设图1中A相与B相通电、C相非导通，对非导通相C相端电压展开分析。其中，A相上管为PWM调制，B相下管恒导通。假设MOS管导通压降Vmos相等，电机绕组参数相同。

2.1 PWM-ON期间

PWM-ON期间，VT1,VT4导通，C相绕组悬空，如图2所示。中性点电压VN与C相端电压计算如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

化简可得：

(5)

非导通相C相端电压为中性点电压与C相反电势之和，即：

(6)

图2 PWM-ON等效电路

2.2PWM-OFF进入续流阶段

2.2.1 非导通相悬空

PWM-OFF期间，VT1关断，VD2导通进行续流，VT4维持导通。假设C相悬空，即C相端电压满足下式：

(7)

此时C相的VD5，VD6均截止，如图 3所示。有：

(8)

(9)

化简得：

(10)

(11)

将式(11)代入式(7)得：

(12)

图3 PWM-OFF续流期间，非导通相悬空的等效电路

2.2.2非导通相嵌位

VT1关断，VD2续流期间，若C相端电压不满足式(7)，VD5或VD6导通，C相端电压具体如下：

(a) VD6导通

(b) VD5导通

2.3PWM-OFF续流结束阶段

当电机不带载或轻载运行时，一个PWM周期内可能出现电流续流及续流结束的状态。

2.3.1非导通相悬空

PWM-OFF期间，VT4维持导通，VD2续流结束后截止，A相进入悬空状态。当C相端电压满足式(7)时，C相悬空，如图 5所示，则有：

(13)

如果eB超前于eC120°电角度，则-eB+eC滞后于eC30°电角度，当C相端电压为Vmos时，已经距离C相反电势过零点滞后30°，应立即换相。

如果eB滞后于eC120°电角度，则-eB+eC超前于eC30°电角度，当C相端电压为Vmos时，理论上需延迟60°换相。

图5 PWM-OFF续流结束，非导通相悬空的等效电路

2.3.2 非导通相嵌位

PWM-OFF期间，A相续流结束后，若C相端电压不满足式(7)时，C相端电压将被嵌位。

1) 当VC≤-VD时，VD6导通，C相端电压被嵌位至-VD，如图 6(a)所示。

2) 当VC≥VS+VD时，VD5导通，C相端电压被嵌位至VS+VD，如图 6(b)所示。

(a) VD6导通

(b) VD5导通

由上文分析可知，PWM-OFF期间，当非导通相C相端电压被嵌位至-VD或者被嵌位至VS+VD时，无论导通相是否处于续流状态，C相反电势均不会出现过零点。当非导通相悬空时，则必须区分导通相是否续流，来选择式(12)或者式(13)作为过零判断依据。人工心脏电机采用转速环控制，当电机输出PWM值为一个较小值时，如果载荷大，则实际转速低，反电势小，续流时间较长；如果载荷小，则实际转速高，反电势大，续流时间较短。因此，仅依据电机PWM输出值，无法精确获悉续流状态以及确定合适的PWM-OFF采样时刻。可以将PWM值与电机转速相结合，仅在电机工作在低转速并且输出低PWM值时，采用PWM-OFF采集模式，采样时刻与PWM关闭时刻之间的时间间隔略大于电机MOS管的关断时间，以保证在导通相续流时采样，并依据式(12)进行反电势过零判断；其余情况均采用PWM-ON采集模式。

3 实验验证

为了验证本文对电机非导通相端电压的分析，进行人工心脏电机空载实验。电机母线电压20V，PWM频率31.25kHz。设置PWM占空比输出为12.5%，C相端电压与C相相电流在一个电周期内的波形如图 7所示。图中①、⑥为C相下管打开阶段，③、④为C相上管打开阶段，②、⑤为C相非导通阶段。图 7显示，在C相非导通阶段②、⑤期间内，因受其他相影响，C相续流二极管导通，C相被嵌位，导致C相电流非零。

图7 一个电周期内，C相端电压与C相相电流

图 8显示了A相端电压先于C相端电压结束续流的情形。其中A相上管PWM调制，C相非导通。图8中a为A相续流阶段，c为A相悬空阶段；b为C相续流阶段，此期间C相相电流非零；d为C相悬空阶段，此期间C相相电流为零。可以看出A相先于C相结束续流。由于MOS管存在寄生电容[7]，a阶段期间，与A相下管的二极管并联的寄生电容将充电；当a结束至c阶段开始，该寄生电容开始放电直至A相绕组悬空为止，期间A相端电压随着寄生电容放电而有所波动。同样，b阶段期间，C相下管的二极管导通，同时给其并联的寄生电容进行充电；在b结束至d阶段开始之前，该寄生电容放电直至C相绕组悬空，期间C相端电压有波动，C相相电流非零。

图8 A相先于C相结束续流，A相端电压、C相端电压与C相相电流

图 9为C相端电压先于A相端电压结束续流的情形。其中A相上管PWM调制，C相非导通。图中a为A相续流阶段，c为A相悬空阶段；b为C相续流阶段，此期间C相相电流非零；d为C相理论悬空阶段，但是由于在此期间A相端电压经历续流结束、寄生电容放电，导致中性点电压波动，从而使得C相寄生电容进行充放电，其电流产生波动，且超前于C相端电压的波动。当C相寄生电容完成充放电后，C相绕组悬空，且相电流为零。

图9 C相先于A相结束续流，A相端电压、C相端电压与C相相电流

由图 8、图 9可知，受导通相续流的影响，非导通相在PWM-OFF期间波形复杂，PWM-OFF采集时应避开波动区域。考虑到控制策略的一致性，根据式(6)、式(12)，可以结合转速信息、PWM值以及硬件电路特性，设置成PWM-OFF期间在导通相续流期间进行反电势采集，使得在PWM-OFF采集模式与PWM-ON采集模式之间切换时，电机控制器只需调整采样时刻与反电势比较阈值，而维持反电势过零后延时30°换相处理不变。

4 结 语

本文分析了人工心脏电机在不同阶段下非导通相端电压与反电势的关系，给出采集非导通相端电压的部分策略。实验结果表明人工心脏电机在空载运行情况下，PWM-OFF期间存在导通相悬空或非导通相嵌位的现象，给非导通相端电压带来扰动，增加了直接反电势法检测PWM-OFF过零点的难度，处理时必须结合导通相续流情况，避免误判反电势过零点。

[1] 尹成科,谈雪丹,渠文波,等.人工心脏磁悬浮系统涡电流位移传感器的设计[J]. 传感器技术学报, 2012, 25(4):428-431.

[2] 孟光伟,李槐树,熊浩.无刷直流电机在脉宽调制下的转矩脉动抑制[J]. 电机与控制应用, 2010, 37(5):21-26.

[3] 吕燚,李文生.基于反电势直接检测法的无刷直流电动机统计控制系统[J].微特电机,2012,40(6):42-45.

[4] SHAO Jianwen,DENNIS N,THOMAS H.A novel direct back EMF detection for sensorless brushless DC (BLDC) motor drives[C]//AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,2002,1:33-37.

[5] SHAO Jianwen,DENNIS N,THOMAS H.Improved direct back EMF detection for sensorless brushless DC (BLDC) motor drives[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition,2003,1:300-305.

[6] SHAO Jianwen,DENNIS N.Further improvement of direct back EMF detection for sensorless brushless DC (BLDC) motor drives[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition,2005,2:933-937.

[7] 周群.基于ST7MC反电势过零检测的电压暂态分析及方案改进[J]. 微电机, 2008,41(8):73-75.

Study on Floating Phase Terminal Voltage in Sensorless Brushless DC Motor of Artificial Heart

YIN Cheng-ke1, TAN Xue-dan2

(1.Soochow University,Suzhou 215021,China; 2.CH Biomedical Incorporation, Suzhou 215125,China)

When the sensorless brushless DC motor (BLDCM) of artificial heart is underloaded, there are some limitations in getting back electro-magnetic force (EMF) from the floating phase terminal voltage during the PWM off time. With PWM strategy of upper bridge arm chopping only, the terminal voltage of the floating phase during the PWM on time and the PWM off time was analyzed. The experiments show that, non-excited phase terminal winding voltage is sensitive to both its own diode-clamped states and the floating state of excited phase during the PWM off time. The above states should be taken into account to achieve good commutation performance.

artificial heart; sensorless brushless DC motor; floating phase terminal voltage

2015-12-09

国家青年自然科学基金项目(51407123)；江苏省高校自然科学研究面上项目(15KJB310020)；江苏省高等学校大学生创新创业训练计划(国家级)(201410285035Z)

TM33

A

1004-7018(2016)03-0003-04

尹成科(1980-)，男，博士，讲师，研究方向为面向植入式医疗器械的无线电能传输、人工心脏磁悬浮与电机控制。