择多函数在无刷直流电动机控制中的应用

张淑艳，王行愚，姚晓东

(华东理工大学，上海200237)

    摘要：转子位置信息的获得是无位置传感器无刷直流电动机控制的关键技术，一般采用基于位置检测电路的反电势检测法，而择多函数法省掉了位置检测电路，运用反电势信号及逻辑运算关系判定测试条件“真”到“假”的变化，消除噪声对反电势信号的影响，获得正确的反电势过零点。该方法在基于DSP的无位置传感器无刷直流电动机控制平台上进行实验验证，实测数据证明该方法可以在2～3倍负载条件下有效滤除反电势虚假过零点，获得准确的反电势过零点，性能可靠，灵活性和实用性较高。

    关键词：择多函数；反电势过零点检测；虚假过零点；无位置传感器；无刷直流电动机；滤波

    中国分类号：TEM33  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2010)01—0045—03

0引  言

  传统的无刷直流电动机获取转子位置信息的方法是采用电子式或机电式位置传感器直接测量[1]。由于大部分传感器的分辨率较低，运行特性不好，对环境条件很敏感，使得整个传动系统的可靠性和精确性难以得到保证，而且传感器还大大增加了电气连接线数目，给抗干扰设计带来一定困难。在精确的位置伺服系统中由于空间有限，无法安装传感器，因此无位置传感器无刷直流电动机成为理想的选择，并具有广泛的发展前景。

    在无位置传感器无刷直流电动机(以下简称BLDcM)控制中，转子位置信息的获得是关键技术。目前应用的方法有反电势法、三次谐波法、电感检测法、卡尔曼法、状态观测器法、G(Θ)法和智能化控制方法[2]，其中反电势检测法是BLDCM控制中应用最多、最成熟的方法，该方法的核心是准确获得反电势过零点[3]。在实际应用中，反电势并不是理想的梯形波，存在由PwM调制产生的干扰，绕组断电产生的干扰等[4]。因此，一般反电动势信号都要经过分压电路、模拟滤波电路和电压比较电路以及锁相环电路后，送人控制单元，这样获得的反电动势过零点必然存在一定的延时，造成换相时刻不准确，必须相移补偿环节来解决这个问题，给控制带来难度。

    本文采用择多函数代替位置检测电路来实现反电动势过零点检测，该方法不需要复杂的滤波、比较电路，方便实现，灵活性高，而且可以有效去除反电势检测中的虚假过零点，获得准确的反电动势过零点，完成对元刷直流电动机的平稳控制。本文将该方法应用于BLDCM的控制，实验测得额定电压、不同负载条件下的BILDCM转速和控制效率。实验结果表明，该方法的适用范围广，可以在BLDcM的2～3倍负载情况下去除反电势中的虚假过零点，保证BLDcM运行平稳。

1反电势检测法概述

  反电势法的基本原理就是在忽略永磁无刷直流电动机电枢反应影响的前提下，通过检测“断开相”的反电势过零点，来依次得到转子的六个关键位置信号，并以此作为参考依据，轮流触发导通六个功率管，驱动电动机运转^[1]。

    本文以电枢绕组采用星形接法的“三相六拍-120^。方波型”驱动的无刷直流电动机为例来说明反电势检测方法的原理。图l是元刷直流电动机的原理图和等效电路图，图2是三相绕组的反电势信号和转子位置的对应关系，图3是各功率管的导通时序。通过以上各图我们可以看到在逆变器供电的任何一瞬间，总有一相其上下桥臂均处于断开状态，即电动机该相绕组是悬空的，故该相绕组的相电压等于该相绕组所产生的反电势。检测这一反电势的过零点时间，并作适当延迟，即可得到功率器件正确触发时刻。

     可以看出，反电势检测法的关键是反电势过零点的检测，如果获得了准确的反电势过零点，那么就可以控制无位置传感器BLDcM。本文详细讨论择多函数在无位置传感器BLDCM反电势过零点检测中的应用方法。

2择多函数在无位置传感器BLDcM反电势过零点检测中的应用

2．1择多函数概述

    择多函数是一种布尔函数，用作一种非线性数字滤波器，它取n个二进制数作为输入并返回这些数中出现次数最多的那个数^[5]。择多函数的布尔表示法为：

式中：Majority为择多函数的输出；^为与逻辑运算符；V为或逻辑运算符。

2．2择多函数在反电势过零点检测中的应用

    基于择多函数的无位置传感器BLDcM反电势过零点检测方法的步骤如下：

    (1)通过DsP的ADC口对反电势进行采样，采样频率同PWM调制频率；

    (2)利用“与”和“异或”两个逻辑运算符将当前反电动势信号的状态保存下来，其中，“与”运算符用来检测与当前换相状态对应的反电势信号，“异或”(xOR)运算符用来检测当前反电势信号的上升或下降沿。

    (3)构造一个包含6样本窗口反电势各种可能情况的数组，大小为2。，该数组的构造方法如下：

    N是数组的下标，数组值代表一个指向随时间变化的下一个信号状态的指针。当选择最重要样本中“1”的出现机会至少大于百分之50，而次要样本中“0”的出现机会至少大于百分之50，即一个下降沿产生时，把该数组值定义为“1”，表示逻辑测试条件发生“真到假”的变化。根据上述规则，表1给出了数组的定义。

    (4)滤波器不断查询逻辑测试条件的值，如果检测到逻辑测试条件发生“真到假”的变化，滤波器将继续检测相邻的三个逻辑测试条件值，当三次连续为“假”时，即可确定为过零时刻。

3实验结果

    在实际应用中，反电势信号混有多种噪声，经过信号采集和阈值比较后，仍然存在噪声的影响^[6]，而且，该影响跟负载的大小成正比例关系，负载越大信噪比越低，产生虚假过零点的可能越大。在BLD-cM l.5倍负载情况下测得的反电势信号如图4所示，在一个60^。电角度周期内可能会发生几次上升或下降沿的改变，如果不经过必要的处理必然会产生错误的过零点信息，导致电动机换相不准确，甚至因失去位置信号而保护停转。本文将择多函数应用于BLDcM的反电势过零点检测，可以消除噪声对反电势信号的影响，尤其在负载条件下噪声的影响，获得正确的反电势过零点，从而保证BLDcM的运行平稳、可靠。

    我们将一个360^。电角度周期划分成六个换相步，每个换相步为60^。电角度。表2是用择多函数对120^。电角度到260^。电角度区间反电势法噪声信号进行滤波计算的过程。限于篇幅，本文以4^。电角度作为一个采样间隔，在实际应用中，可以适当减小，采样间隔，采样间隔越小，判断结果越精确。

     从表2中可以看出，实际的换相并不都发生在精确的60^。电角度的整数倍时刻，而是存在一定相移，相移的大小与过零点阂值有关^[7]。在实际应用时，还需采取适当的措施对其进行适度补偿，本文对此不予详细说明。图5是理想的反电势信号和滤波后的反电势信号，由图5可以看出，使用择多函数滤除了噪声，消除了噪声对反电势信号的影响，使得过零点检测准确，保证了换相时刻的准确性。

    本文采用择多函数对基于DsP的无位置传感器BLDcM进行控制。BLDCM参数为：额定电压376 v，额定转矩2 N·m，额定转速8 800 r／min。图6为实测的BLDCM在不同负载下的控制曲线。从图中可以看出，电动机在额定负载时效率****，在2～3倍负载情况下，虽然效率略有下降，但工作状态依然较好，证明使用本文的方法可以在不同负载下获得反电势过零点信号，具有较好的实用性。

4结语

    本文针对无位置传感器BLDcM的反电势过零点检测进行了研究，采用择多函数滤除反电势信号中存在的噪声，消除由其产生的虚假过零点，获得正确的反电势过零点信息，完成无位置传感器BLDcM的准确换相。实验结果证明，该方法可以在2～3倍负载情况下，有效滤除反电势虚假过零点，实现无位置传感器无刷直流电动机的可靠、平稳运行。