矿用无位置无刷直流风机转子位置检测研究

刘全龙，周奇勋，2，王 茜，毛 诚，畅冲冲

(1.西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安 710054；2.徐州凯思特机电科技有限公司，江苏 徐州 221116)

0 引 言

矿用通风机在煤矿生产中起着重要作用，其工作性能的优劣严重影响现场工作人员的安全以及煤矿生产的效率[1-3]。在实际工作中，矿用通风机大都处于轻负载状态，导致传统矿用通风机负载率及效率较低，造成电能的浪费[4-6]。因此，采用无刷直流电机(brushless direct current motor，BLDCM)实现矿用通风机能有效的节约电能[7-9]。

BLDCM具有调速范围宽、低速下输出大转矩、效率高、过载能力强等特点，在矿用通风机、航空航天及轨道交通等多领域得到了广泛的应用[10]。BLDCM通常采用位置传感器确定电机转子位置，但安装位置传感器增加电机的成本与制造难度[11-13]，降低电机驱动系统的可靠性和抗干扰能力，因此国内外许多学者对无位置传感器无刷直流电机控制技术已有很多深入的研究[14]。目前，无位置传感器无刷直流电机驱动器对转子定位的方式主要有续流二极管导通检测定位法、反电动势过零检测定位法、磁链定位法等[15]。因为反电势定位法容易实现，可靠性高，且系统控制算法比较简单，所以该方法是被应用最多的转子位置定位的方法。然而很多对无位置BLDCM控制器的研究都集中在低压驱动，较小调速范围内。高压BLDCM由于电机在低转速运行时电机端电压经过电阻分压后幅值太小无法与虚拟中性点电压相比较，从而导致无法获得反电势过零点[16]；当电机在高速运行时，过高的反电势有可能损坏反电势过零检测电路，导致驱动器无法获得反电势过零点信号，使得控制器无法驱动电机在高速状态下运行。因此采用传统反电势过零点采样电路定位转子位置不适用于高压无位置传感器BLDCM。

1 BLDCM控制原理

BLDCM的逆变电路的控制方式有二二导通和三三导通2种，二二导通方式每次只有2个开关管同时导通很好地利用了电机方波气隙磁场的平顶部分，使得电机的出力大，电磁转矩比三三导通方式大、且转矩平稳性好，因此三相H桥的导通方式使用的是二二导通方式。如图1中无位置传感器BLDCM控制器主电路拓扑所示的IGBT标号为例，一个周期中IGBT导通顺序是T1T4，T1T6，T3T6，T3T2，T5T2，T5T4，共6种导通状态，每隔60°改变一次导通状态，每次改变仅切换一个开关管，每个IGBT连续导通120°[17]。BLDCM工作在三相六状态、正向转动时，IGBT(T1～T6)的通断规律及电机的悬空相[18],见表1。

表1 无位置传感器BLDCM 6步换相规律

图1 驱动器主电路拓扑

2 反电动势过零检测原理

2.1 传统反电势检测设计

为获得转子当前位置，BLDCM控制系统需具备转子位置检测环节。在有位置传感器的系统中，转子位置的检测是通过位置传感器来实现的。对于无位置传感器的设计，则一般是通过检测反电势过零点来获取转子位置信息。传统的反电势采样电路中没有并联的三级管电路，只有电阻分压及电容滤波电路，将采集的反电势经过分压后送入比较器中与模拟中性点电压相比较得到A相过零点，B相和C相与A相采用相同的检测方法获取反电势过零点信号，来实现位置检测。

传统反电势法BLDCM的数学模型方程

(1)

(2)

(3)

式(1)、(2)、(3)中Ua,Ub,Uc为BLDCM的三相端电压，V；UN为星形连接中性点电压，V；R和L为三相电枢绕组电阻和电感，Ω，H；ea,eb,ec为三相反电动势，V;ia,ib,ic为三相绕组电流，A。

假设在电机运行的某一时刻A相正向导通，B相负向导通，C相悬空时。电流从A相流进B相流出，则Ua=VDC-VCE，ia=-ib，ic=0，其中VDC为母线电压;VCE为IGBT导通压降，可求出Uc,UN。

Ua+Ub=ea+eb+2UN

(4)

Ua=VDC-VCE

(5)

Ua+Ub=ea+eb+2UN

(6)

由式(4)、式(5)、式(6)求得UN。

(7)

将ic=0代入(3)可得悬空的C相电压。

Uc=UN+ec

(8)

根据式(8)在AB相绕组通电期间的过零点时刻，C相端电压与中性点电压相等。因此以虚拟中性点作为参考电压，将三相端电压与参考电压输入电压比较电路，两者进行比较运算，比较器产生过零翻转信号，该信号被输入到微控制器的中断，来确定过零时刻完成对转子位置的确定。

2.2 宽电压范围反电势检测设计

由于BLDCM的转速仅与电枢电压和磁场强度有关，因此图2和图3中设计的反电势检测电路避免了电机运行在高速段时检测电路易损坏，低速段时反电势信号又难以可靠检测的问题[19]，设计了在三相反电势采样电路上分别并联三极管来控制R16，R19，R22电阻上的电压，根据电机速度调节三极管PWM信号占空比，在高速时占空比线性增大，在低速时占空比线性减小。控制三极管斩波信号的占空比是根据电机转速线性调节控制，使得反电势采样电路上的电压通过三极管斩波控制到合理范围内，能有效地改善在极限速度时反电动势过零检测效果。设计的高压电机反电动势过零检测电路可以保证检测反电势过零点的可靠性使电机转速能在更宽范围内稳定运行。

图2 电机反电势检测电路

图3 A相反电势过零比较电路

3 BLDCM控制系统软硬件设计

3.1 控制系统主要硬件电路设计

3.1.1 BLDCM控制系统结构

高压无位置传感器无刷直流电机控制系统主控制芯片采用的是STM32F103RCT6，该芯片处理速度快，外设资源丰富，比其他同价格单片机的计算和控制性能更强。三相逆变桥采用的是IPM模块，其高集成度减少了外围电路的设计，使得驱动模块设计难度和成本大大降低。无传感器驱动方案与有传感器驱动方案相比较稳定性更好且成本更低。因此与BLDCM传统控制方案相比较，以STM32F103RCT6为核心设计的无位置传感器驱动控制系统具有更好的市场应用前景。如图4所示控制系统主要包含整流、驱动、检测、通信等主要模块。

图4 控制系统结构

3.1.2 控制系统电源电路设计

控制系统采用的开关电源与线性电源结合的方式为控制系统提供稳定的电源。其中系统的开关电源使用的是BUCK拓扑，将300 V转换成15 V高压控制芯片采用的是VIper22A，该芯片输入电压范围宽、开关频率高，还具有过热、过流和过压保护，与常见的离线式变换器相比，成本降低，有利于大规模生产；15 V转5 V使用的是LM2596-5.0芯片，该芯片的斩波频率100 kHz具有输出纹波小，带载能力强，稳定性高等特点。

3.1.3 主控单元电路设计

STM32F103RCT6增强型系列由意法半导体公司设计；使用高性能ARMCortex-M3的32位RISC内核，工作频率为72 MHz，内置高速存储器，丰富的增强I/O端口和联接到2条APB总线的外设。STM32F103RCT6作为电机控制，具有高级定时器驱动三相电机，2个12位高精度AD作为相电流采样，高达72 MHz时钟可以为电机控制提供高效运行速率。支持单周期乘法和高速硬件除法器，并且具有较低的价格优势。

3.1.4 检测电路及驱动模块设计

控制系统的电流检测电路是直接将采集到的信号通过放大器送入MCU的ADC通道，MCU在最佳采样时刻采集电机的电流。控制系统中还设计过流保护电路，若出现过流故障现象，MCU将停止输出PWM，一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

逆变器在低压电机电路中多采用MOSFET器件，而在高压电机应用中，IGBT则较为广泛。控制系统中采用的IPM模块是SD30M60AC，该模块内置6个600V/30A的低损耗IGBT，集成了欠压保护和过温、过流保护电路，可通过调节6路PWM的占空比输入来控制电机。

3.2 系统软件设计

3.2.1 控制系统双闭环控制策略

电机控制算法结构如图5所示，控制算法中设置了2个PI调节器，其中转速调节器的输出作为电流调节器的输入；经过电流PI调节器计算出定子电压值，将定子电压调制后作为PWM的占空比驱动IPM模块。通过改变PWM的占空比来控制电机电压，从而实现对电机转速的控制。其中转速调节器是调速系统的主导调节器。使得动态时电机转速跟随其给定值而变化，稳态时转速无静差或尽可能小。转速调节器对负载变化起抗扰作用，其输出决定流过电机电流的大小。电流调节器使电机电流紧紧跟随其给定值而变化，对电网电压的波动起及时抗扰作用。在起动与制动过程中，使电机能够以允许的最大电流起动，从而加快动态过程；当电机过载甚至堵转时，电流调节器可以限制电流的最大值，起到快速自动保护的作用。

图5 电机控制算法结构

3.2.2 系统控制软件设计

如图6所示，控制器的主程序主要完成了将速度，电流，反电势过零信号根据通信协议定时发送给上位机的任务，在上位机上实现了参数的可视化。

图6 主程序流程

矿用高压无位置无刷直流风机采用三段式自起动的过程如图7所示[20-21]，即电机转子预定位，外同步开环升压升频加速，切换到无位置闭环工作状态[22]。无位置BLDCM切换到闭环控制时如图8所示，必须采用一定的方法检测转子位置信息才能准确换相。采用反电动势位置检测方法得到转子当前的位置，由于6步换相控制中，每一个换相周期，都有一相绕组处于不导通状态，因此通过检测第3相反电动势过零信号信号，可确定转子磁极在该绕组经过的时刻。然而此时并不是最佳换相时刻，需要对相位进行一定时间的补偿后，才是最佳的换相时刻[23-24]。

图7 电机起动流程

图8 电机闭环控制流程

4 模拟实验验证分析

4.1 模拟实验平台介绍

验证以STM32F103RCT6微控制器为核心的矿用高压无位置BLDCM控制系统搭建的模拟实验平台如图9所示，其包括无位置传感器直流无刷电机控制器、负载电机、上位机测试软件、外部供电电源等。通过负载电机模拟矿用风机带载状态验证设计的高压无位置传感器BLDCM控制系统中反电势过零检测电路能否稳定地检测出过零信号，以实现矿用风机控制系统的宽范围为调速和电机运行效率的提升。

图9 电机驱动系统测试实验平台

4.2 控制器调速范围测试

为降低开关损耗与转矩脉动，高压无位置传感器BLDCM控制实验中驱动IGBT的PWM采用HPWM-LON调制方式[25]，PWM调制载波频率为12 kHz。电机参数见表2，在实验中电机所带负载采用电动负载模拟器输出，设置负载模拟为风机负载特性，然后再将实验电机的转速分别设置为低速60 r/min、高速6 000 r/min，通过实验测试设计的高压反电势过零检测电路能够稳定地检测出过零信号。使得电机在转速较低(60 r/min)或高速时(6 000 r/min)均能在准确时刻进行换相。

表2 电机参数

模拟实验测试时采集电机在低速、高速运行时电机三相相电压波形及三相反电势过零信号波形；电机转速在60 r/min波形如图10所示，6 000 r/min波形时如图11所示，反电势过零检测信号都比较稳定准确；同时图中过零信号的频率与电机的设置速度对应的端电压频率一致，从而验证控制器在高速和低速时均可稳定可靠的检测出反电动势过零点，实现矿用风机更宽的调速范围，实验测试结果也与预期的效果基本一致。

图10 电机60 r/min运行时反电势及过零点

图11 电机6 000 r/min运行时端电压及过零点

5 结 论

1)矿用高压无位置传感器无刷直流风机控制系统，与异步电机相比无刷直流电机的转子采用的是永磁体，在电机转动过程中无刷直流电机转子不需要励磁电流，而异步电机需要。因此提高了矿用风机控制系统的效率。

2)通过对传统的三相反电势采样电路进行改进，有效改善高低速时反电动势过零检测效果。使电机具有更宽的调速范围。

3)与异步电机变频器相比，该矿用风机控制系统以低成本的微型控制器为核心，控制电路供电使用设计的低成本BUCK开关电源，相较于传统高压无位置无刷直流电机控制系统具有成本低、体积小、易于使用等诸多优点。

4)实验电机的额定转速为6 000 r/min，因此实验结果表明设计的控制系统可以准确检测反电动势过零点，使矿用风机在1%～100%的转速范围内稳定运行。