基于反电势积分补偿法的无刷直流电动机控制

    李声晋¹，马  晖²，卢  刚¹，李晓明²

(1西北工业大学，陕西西安710072；2．西安庆安制冷设备股份有限公司研究所，陕西西安710077)

    摘要：针对元位置传感器无刷直流电动机的控制要求，采用反电势积分法来获取转子位置信号，根据电机转速进行相位补偿，实现了电机的准确换相控制；采用升频升压法实现电机的起动和加速，最终切换为无位置传感器无刷工作状态。实验结果表明，系统起动正常，能够在元位置传感器状况下正常工作，已经得到了成功的应用。

    关键词：反电势积分；相位补偿；升频升压；无刷直流电动机；无位置传感器

    中图分类号：TM33  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)06—0037—03

0引言

    随着无刷直流电动机的应用日趋广泛，系统对无刷直流电动机的成本和微型化、可靠性的要求也越来越高。无位置传感器无刷直流电动机是近几年来发展比较快的一种无刷直流电动机，它省去了转子位置传感器，适用于对成本、体积有要求或者工作环境恶劣的场合，在压缩机、DVD、硬盘等多个领域得到了广泛应用^[1-3]。

    通过检测反电势信号来间接估算转子位置信号是目前研究最多、应用****泛的一种转子位置检测方法^{[4 ]}。本文提出通过将电机绕组反电势信号积分过零比较后获得转子位置信号，并采用升频升压法实现元刷直流电动机的外同步开环起动，成功地实现了无位置传感器无刷直流电动机的控制。

1反电势积分法原理

    无刷直流电动机在任意时刻总有一相绕组不导通，这时候绕组的端电压(从绕组端部到直流地之间)与相电压(从绕组端部到中心点之间)就反映出该绕组的感应电势。因大部分无刷直流电动机都没有中心点引出线，因此常用测量端电压的方法，即在相电压的基础上再加上中心点对地的电压^[5]。以反电势为梯形波的三相无刷直流电动机为例，定子绕组星形连接，设电机采用两两导通三相六状态的工作方式，电机绕组的反电势波形如图1所示。

    只要测量出三相端电压，然后由软件确定当前时刻的反电势相，计算未导通相端电压与三相端电压总和三分之一的差值即可得到未导通相的反电势值，当该差值为零时即表明检测到反电势过零点，这就是反电势过零检测法^[1]。图1中的m_x点即为反电动势过零点，其中x=1，2，3，4，5，6。当测得反电势过零点后，再延迟30^。电角度就是真实的换相点，而每两个换相时间相差60。电角度。所以，电机的换相时刻发生在反电势过零点延迟30^。+k×60^。(k=0，1，2，…)电角度的地方。

   当k=O时，反电势过零法的延迟角****为30^。电角度，当电机的转速范围较大时，由滤波电容造成的相位偏移有可能超过30^。电角度，此时反电势过零法无法直接实现换相。因此，取k=l采用相位延迟90^。电角度换相的方法。由于积分器正好满足了电流超前电压90^。电角度的要求，因此采用积分器来实现相位90^。电角度延迟功能。积分器的输出再与零电压比较后获得方波输出信号，作为换相依据，这就是反电势积分法。

    图2是本文所采用的反电势积分过零比较电路。U_A、U_B、U_c是直流变频电机的三相绕组反电势输入电压，R₁+R₂、R₃，+R₄和R₅+R₆形成星形连接，其中点电压可以看作是零电压。R₁与R₂、R₃与R₄、R₅与R₆分别构成了绕组反电势信号的分压电路，C₁、C₂和C₃并联在分压电阻的两端，起到一定的滤波作用。以A相反电势信号为例，经过分压后的反电势信号通过由运算放大器和R₇、R₈、R₉以及C₄构成的积分器，实现相移90^。积分器输出信号与零电压进行比较获得的输出就代表了转子的位置换相信息。设置比较器工作在滞回比较的方式，利用滞回电压差来消除过零点附近的干扰信号所可能诱发的错误输出信号。

    由于电容在不同输入频率下表现出的阻抗不同，对于同等幅值、不同频率的绕组反电势信号，积分器输出信号会产生不同程度的相位偏移。另外，如尖峰电压、二极管续流等也会影响到反电势过零信号，但与上述因素比较起来影响很小。因而，常在补偿算法中主要考虑滤波电路引起的相位偏移。

    仍以A相为例，U_A为U_A经R₁、R₂与C₁分压滤波后的输出电压，U_A0为U_A经积分器后的输出电压，则U_A和U_A0点处电压及相移角度的表达式分别为：

    因此，输出电压相对于输入电压总的相位移为：θ=θ₁+θ₂。由此得到反电势信号移相角度的大小只和反电势频率有关，即与电机转速有关。根据不同的转速计算相应的相位偏移，在算法中进行补偿即可。但实际中仍会有一定的位置误差，因电路中电阻电容随温度变化，电枢反应导致磁场扭斜畸变等综合因素，难以用理论方式准确补偿相位误差。工程中通常采用试验的方法，将获得的不同转速下反电势检测电路的相位偏移角，做成一张表格存放在微控制器的存储器中，微控制器依据计算得到的转速查找表格，实现相位补偿。

2无位置传感器无刷直流电动机的起动

    当电机静止或者转速较低时，绕组的反电势信号幅度较低，无法准确可靠地进行检测，必须采用其它方法实现电机的起动，当电机达到一定速度才能通过反电势检测电路实现无位置传感器换相控制^[6]。针对这个问题，人们常采用三段式起动技术加以解决，但它只能在轻载及小惯量负载条件下起动，且在切换阶段往往运行不平稳，易受干扰等^[7]。升频升压起动技术能使无刷直流电动机在一定速度范围内实现空载、半载以及带一定负载惯量情况下可靠起动，不存在反转现象，能够满足大多数场合的应用要求，所以本文采用升频升压起动技术。

    升频升压起动法转速变化示意如图3所示。尽管该方法也分为转子预定位、加速及切换三个过程，但其加速阶段与通常采用的三段式起动技术中的方

法不同。采用升频升压法起动时，给逆变器供电使电机获得一个确定的工作状态并维持一定的时间，定子绕组产生的合成磁势吸引转子转到与之垂直的位置，从而能够知道一个准确的转子位置，这就是转子的预定位阶段，如图3中曲线1所示。之后，依据电机旋转方向的要求，依次改变逆变器功率管的触发导通顺序，使逆变器的换向频率逐渐增加，与此同时逐步提高PwM驱动信号的占空比，使无刷直流电动机的定子电压逐步升高，从而使电机逐渐加速。当转速升高到一定值后，绕组反电势检测电路能够获得比较可靠稳定的输出，则可以结束升速过程，如图3中曲线2所示。同时开始检测外同步信号与反电势检测信号之间的相位差，当该相位差连续多次小于等于某一闯值时，由软件完成切换工作。

3系统软件设计 

    系统采用反电势积分过零比较的方式来实现无刷直流电动机的元位置传感器工作，软件设计主要分为三个部分：

    (1)输入捕捉中断服务子程序。当反电势积分过零检测电路的输出发生翻转时，控制器的捕捉引脚发生中断，调用输入捕获中断服务子程序。在此中断服务子程序中，读取I／O引脚，获得反电势检测电路的输出，从而提供一个换相基准信号；该子程序通过捕获信号计算电机的转速，不仅为转速PID控制提供依据，而且根据得到的转速查找相位补偿表，得到相应的补偿时间。图4为该中断服务子程序的流程图。

    (2)PwM中断服务子程序。每一个PwM周期都产生一次中断，执行P1D控制算法，使系统的调速精度更高。同时，由于PwM控制信号的频率一定，计算出每次PwM中断的周期时间，用该时间实现相位补偿。其补偿实现原理如下：检测到输入捕捉标志，则在每个PwM中断中补偿计数器不断累加，直到与补偿时间相等，则立即进行换相，否则不予换

相。在PWM中断服务子程序中实现相位补偿的优点是能够实现换相的平稳性。图5为该中断服务子程序流程图。

 (3)系统主循环。主循环主要完成一些次要任务，如读取A／D转换结果、通过串行通讯收发程序实现与外界信息的数据传输、控制状态切换等。这些任务在主程序中查询实现，能够减少中断事件的发生次数，使系统的控制特性更为平稳。

4 实验结果

    采用一台带位置传感器的无刷直流电动机进行测试。电机极对数为2对极，额定转速8000 r／min，工作电压310 V，绕组相电阻22．35Ω，绕组相电感0．58 mH。首先将反电势检测电路的输出信号与霍位置信号进行对比，结果如图6所示，由于相位偏移的存在，使得反电势检测电路的输出与霍尔位置信号之间的相位关系随转速变化而变化，此时电机工作的效率不高，工作电流较大。微控制器采集到反电势检测电路的输出信号后，进行相位补偿后再实现绕组换相，补偿后的结果如图7所示。可见补偿后的信号已经能够较好的与霍尔位置信号进行对应，能够作为绕组换相的依据。

    由于电机工作在无位置传感器条件下，而当转速很低时无法使用反电势积分法实现可靠换相，因此本文采用了升频升压法来起动电机并使电机加速到一定速度，初始起动转速为120 r／min，经过实际不断的测试与修改，使得系统在电机转速达到300r／min时已经能够顺利实现状态切换，拓宽了无位置传感器时电机的转速工作范围。采用升频升压法电机起动过程如图8所示。

5结语

    反电势积分法降低了检测电路对开关噪声的敏感性，能够方便地实现电流超前换相控制，使逆变器换向时间能够跟随转速的变化进行自动调整。本文采用的反电势积分法对无位置传感器无刷直流电动机的控制，以及采用升频升压法实现电机的外同步开环起动技术，已经成功地应用在空调压缩机的控制当中。