电感法无刷直流电动机控制器的实验研究
李新华，吴迪(湖北上业人学，湖北武汉430068)
摘要：文章用实验的方法验证了一种基于两相导通电感法无位置传感器无刷直流电动机控制的新方法。该方法通过检测在两相导通电压脉冲F的绕组的电流响应，并与事先推导的电流变化率关系进行比较，从而得到转了的初始位置，并能在起动加速阶段为转子定位，直到切换到反电动势法运行。
关键词：无删直流电动机；电感法；控制器；转子初始位置；单片机
0引言
电感法是无位置传感器无刷直流电动机研究中引人关注的一种方法。对于转子表面粘贴磁钢(以下简称面装式)集中绕细无刷直流电动机，它是利用定子铁心磁路的非线性特性，即对于不同的转了位置，定子绕组中电流变化率是铁心磁导率的函数，通过检测电流变化率可以得到转子的位置信息。文献『1]介绍了电感法的基本原理，在此基础上分别讨论了无刷直流电动机定子一相通电和二相通电时转了磁极极性的确定方法，以6极／9槽三相六状态无刷直流电动机为例分析了不同转子平衡位置与电流变化率的大小关系，为本文的实验研究奠定了理论基础。
基于电感法面装式无刷直流电动机转子位置的确定方法，日前主要有采用单相或二三相导通通电的检测方法。单相通电检测方法是通过对无刷直流电动机某一相定子绕组施加脉冲电压，检测中线上的电流变化情况，从而获知转子初始位置；三相通电检测方法是通过对无刷直流电动机二相绕组同时施加脉冲电压，检测直流母线上电流变化情况，从而获知转子初始位置。一相通电方法需要无刷直流电动机引出绕组中线，一相通电与三相通电一样，还要改变逆变器的导通逻辑，比较麻烦。
众所周知，三相方波无刷直流电动机采用两相通电方式。为了不改变现有控制器的导通模式，同时控制器硬件也基本不变，本文按两相导通方案制作了基于电感法无位置传感器无刷直流电动机及控制器实验系统。实验样机为120 w六极九槽面装式无刷直流电动机，基于c8051F()f15单片机的无刷直流电动机控制器，编写了系统控制软件，包括无刷直流电动机驱动软件以及信号检测和转了初始位置分析软件。
1控制器硬件构成
无刷直流电动机控制器组成框图如图1所示。控制器以c8051F005单片机为控制核心，其主要作用是：接收外部控制信号，并对系统运行状态进行显示输出：通过光耦对逆变电路进行换相控制，从而控制无刷直流电动机的运行；处理电流采样信号和反电动势信号。逆变电路由IRF840功率MOsFET组成，由三个IR2103驱动，单片机与逆变桥之间采用6N137光耦进行隔离。
控制器需要对短时脉冲信号进行快速和精确采样，同时无刷直流电动机正常工作时要及时检测反电动势信号，计算电动势过零点，并进行电机换相控制，因此需要有高速和高精度的Mcu数字芯片来支撑。本控制器选用c805lF005高速单片机，12位采样电路****采样速度可达1 00ksps。此外，片上丰富的集成资源为构造简洁的控制器提供了保证_。
2 1电流检测滤波环节
通过检测串联在逆变桥负端采样电阻上的电压，经微分环节后可以得到电流变化率信号。采样信号经过一阶Rc滤波环节和一阶电压跟随送到单片机的采样引脚。Rc滤波环节采用5 kn多圈精密电位器和l nF聚苯滤波电容构成，截止频率1MHz左右，可以****限度的减少检测环节的相位滞后，并对反向尖峰进行了有效抑制。一阶电流跟随环节是对滤波环节输出进行电压跟随，其作用在于进一步降低波形的毛刺和过冲，如图2所示。
2 2反电动势检测环节
反电动势检测环节的作用是检测反电动势的过零点，以保证一定转速后无刷电动机的正常换相反电动势检测环节采用端电压反向过零点检测方法，通过重新构造电机的中点，并与反电动势信号进行比较，得到反电动势过零点。新构造的中点通过电容与逆变桥的负端相接，以减少直流偏置对中点电位的影响。反电动势信号经过分压和阶滤波后送入电压比较器LM339。
3软件设计
根据文献[1]所介绍的面装式无刷直流电动机初始位置检测的基本原理和方法，转子位置检测子程序会按Ac、Bc、BA、cA、cB、AB六个通电状态依次发出导通指令，给无刷直流电动机定子绕组施加脉冲电压，脉冲电压的长度为TS(称为有效通电时间)。单片机会在一个电压脉冲结束之前对电流响应峰值进行采样，然后程序按文献[1]中的表1和表2做一个两步判断，以确定转子的初始位置。
电感法无刷直流电动机控制器主程序流程图如图3所示。
程序启动后自动进行初始化，然后等待起动中断；当得到起动命令后，进行转子初始位置检测：转子初始位置确定后，系统进入到闭环起动，并在10％额定转速左右切换到反电动势控制的运行状态。
有效通电时间Ts的选择至关重要。如果有效通电时间过长，电机会发生明显的抖动；如果有效通电时间过短，则电流上升不足，影响采样精度。
因此设计时必须合理选择电流上升时间。
绕组电流式中，UDc为逆变桥直流侧电压，R为两相等效电阻，τ为电流上升的时间常数，由两相等效电感和电阻决定。
当t=τ时，电流上升到稳态值的63 2％，足够检测之用。由精密电桥测得试验样机一相电阻为4 592Ω，一相电感为20 21 mH，故得r=4 4ms。实际调试时有效通电时间TS=2．5ms，效果良好。
采用位置闭环起动，当转速达到额定转速的10％左右，直至反电动势足够反映转子位置为止。闭环起动采用电感法检测，即在转子初始位置确定后，导通对应的两相一定时间后再次使用电感法检测，看转子位置是否到了下一个预定位置，如此循环。
由于通电时间较短，反电动势很低(40 mv左右)，并不影响电机起动。
4实验及分析
基于电感法无位置传感器无刷直流电动机及控制器实验系统平台如图4所示。
图5和图6所示为电流采样电阻上电压波形。
图中的六个脉冲波形是按Ac、Bc、BAcA、CB、AB六个通电状态依次施加电压脉冲得到的电流响应。从图中可以看到，在某一平衡位置，各通电状态下电流响应有着明显的不同。在通电时间一定的情况下，电流峰值就能反映电流变化率的大小。经过对电流响应峰值的差分采样和PGA四倍增益后可得对应于图5的单片机采样数据为Ox0288，0x029C、，Ox02F4，Ox02A4，0x0298，Ox02F4。虽然这些数据没有严格的相等关系，但是经过实验分析，在一定的误差范围内可以认定两个数据相等。
位置判断子程序在得到采样数据之后，首先对其进行排序，将数值****的两个进行比较，若在允许误差范围以内则认为相等。采样数值****对应于在此平衡位置下，此两种通电状态电感相对最小。如图5中BA和AB通电状态对应的采样数据都为Ox02F4，认定它们相等，记为BA=AB.
以此查找电流变化率相等表格，判断此时处于第1I或第V平衡状态。第二步根据可能的平衡位置，查找电流变化率相对大小关系表格，对应于Bc>cB，AC＞CA，可以判定此时所处于第1I平衡位置。
同理，图5对应的单片机采样数据为0x026C：，0x02fE4，0x02BC：，Ox294，0x02Ec，0x0280。
第一步判定BC=cB，处于第1或第Ⅳ平衡位置。第二步判定cA>AC，BA>AB，两步综合确定其对应于第Ⅳ平衡位置。
图7为经过滤波的反电动势过零点波形，从途中可以看出此波形与一般无刷直流电动机所用HALL波形基本相同。只要延迟电角度换相，能够得到比较平稳的驱动特性。
当然，实验中还是发现了一些问题，如滤波不够****。
滤波不****使得采样有时会冈为干扰过大而造成失败，增加了转了位置的确定时间，造成电机起动时间的延长，同时也会导致电流采样值在一个范围内波动，增加了程序判断的复杂性，同样造成了起动延迟。
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