无位置传感器无刷直流电机开环起动的实现方法

2007年4月Vol.32　No.2Journal of S outhwest China Normal University (Natural Science )

Apr.

2007

文章编号:1000-5471(2007)02-0120-04

无位置传感器无刷直流电机开环起动的实现方法

①

李天舒,　谢守勇,　刘　军,　官　平

西南大学工程技术学院,重庆400716

摘要:针对具有梯形反电势波形的无位置传感器无刷直流电机(BLDCM )的开环起动控制,提出一种基于A T C

2051芯片的软件实现方法.此种方法能有效的克服无位置传感器无刷直流电机在起动和低速运行时,由于反电势

过小而带来的运行困难.并通过实验验证了这种方法的可行性.关　键　词:A TC2051;无位置传感器BLDCM ;反电动势中图分类号:TM345;TM33

文献标识码:A

直流无刷电机是一种结合了直流电机和交流电机优点的改进型电机,其转子采用永磁材料励磁、体积小、重量轻、结构简单、维护方便,且具有控制简便、高效节能等一系列优点,已广泛应用于仪器仪表和家用电器等领域.国内外学者对其进行了多年研究,针对无刷直流电机起动问题提出了不少方案.如预定位起动法、升频升压同步起动法、短时检测脉冲转子定位起动法等[1,2],但这些方案多偏重于硬件电路的设计,至使控制系统中的硬件电路趋于复杂化,电机运行的稳定性和灵活性难以得到可靠的保证.

直流无刷电机转子位置检测方法可以划分为以下2种类型:(1)连续型位置检测,它对电机位置估算相对准确,但计算复杂,不易于实现,大多用于伺服控制系统;(2)离散型位置检测,即只检测与换相位置有图1　系统结构框图

Fig 11　The Block Diagram of System

关的特殊点(过零点和换相点),对于调速指标要求不高的系统,多采用此种位置检测方法[3].本文所提出的方案是基于反电势过零点检测方法,利用A TC2051快速的运算处理能力及它简单的外围硬

件控制电路,实现对无位置传感器直流无刷电机的开环起动控制.

1　软件开环起动策略

以具有梯形反电势波形的三相无位置传感器直流无刷电机为例,系统采用二二导通、三相六状态的PWM 调制方式,定子绕组采用星形连接方式.其系统结构框图如图1所示.

111　开环起动方式及其软件实现

在电机静止及低速运行时,电枢相应端电压及反电势为零或极低,无法检测出用以确定转子磁极的空间位置,更无法使三相逆变桥实现反电势电流转换.由此利用开环起动技术(又被称为“三段式”起动技

①收稿日期:2006-04-02

作者简介:李天舒(1979-),女,辽宁本溪人,助教,主要从事智能检测与控制研究.

通讯作者:谢守勇,副教授.

术),采用软件方式实现对无刷直流电机的起动控制.首先由程序控制给预定两相定子绕组通电而另一相断开,控制电流的大小使电机定子合成磁势轴线在空间有一确定方向,把转子转动到预定位置.然后按事先设定的转子位置代码表(预设定6种模式),得出随后起动时需要通电的相序,由程序控制电压和换相时间,导通相应的绕组使电机起动.待上一脉冲结束后,再次发出6个检测脉冲确定转子的位置,导通相应的绕组并进行加速,待电机运行平稳后,再进行反电势检测,若检测不到反电势信号则继续加速,如此不断重复检测—加速—检测—加速……直到电机转速达到可以稳定的检测反电势过零点时,转换成自同步方图2　MOSFET 开关管与P 3端口接线图

Fig 12　MOSFET Switch and P 3Port Wiring Diagram

式运行.在电机起动期间,程序不进行反电势过零点检测,换相不受反电势检测信号的控制,换相时刻间隔由程序进行延时控制.换相时间间隔根据电机具体参数算出电机最小反电势周期数值进行合理选取,依据调试试验数据显示,当换相时间间隔达到最小反电势的半个周期值时,电机即可成功起动.

软件控制直流无刷电机具体实施方案:电机的U ,V ,W 三相分别接6只MOSFET 开关管.可采用电机

驱动厚膜电路,它将6只MOSFET 开关管集成到一起.假设U 相接Q 1与Q 4;V 相接Q 2与Q 5;W 相接Q 3与Q 6.其中Q 1,Q 2,Q 3为上桥,Q 4,Q 5,Q 6为下桥.导通顺序为Q 1Q 6-Q 2Q 6-Q 2Q 4-Q 3Q 4-Q 3Q 5-Q 1Q 5.具体接法如图2所示.

各MOSFET 开关管的栅极(G 极)与A TC2051单片机的P 3端口相接.各端口对应真值表如表1所示.

表1　P 3端口对应真值表

Table 1　Correspond Trut h Table of P 3Port

步　序

P 3接口控制位

W 相

V 相U 相通电绕组

控制字

控制时序

假定模式

10　11　00　1UW 相19H Q 1Q 6M 020　11　01　0VW 相1A H Q 2Q 6M 131　10　01　1VU 相32H Q 2Q 4M 241　10　10　0WU 相36H Q 3Q 4M 351　01　10　0WV 相2EH Q 3Q 5M 46

1　0

1　0

0　1

UV 相

29H

Q 1Q 5

M 5

　　注:Q 1～Q 6为开关管,1为高电平,0为低电平.

　　控制无位置传感器无刷直流电机起动的软件流程图如图3所示.112　反电势过零点检测方法的程序实现

下面给出反电势检测电路原理图,如图4所示,其中R 1,R 2,C 1,R 3,R 4,C 2,R 5,R 6,C 3组成3组分压和阻容滤波电路,经电压比较器,将过零信号输送到MCU 控制器,由程序软件对此信号进行修正和处理,判断转子的速度和位置,决定换相的时刻及其对应导通的电枢绕组.

程序实现反电势过零点检测的具体方法:假定当前运行在M0模式下(即过零点处),当要进入下一预定模式M1时,此时程序要获取M0时三相反电势状态数据及下一模式M1时三相反电势状态数据.理想模式处理方法:(1)当M0模式快结束时,不断检测M1模式是否到来;(2)如检测到M1模式,也就是反电势已过零点,从而得到位置信号;(3)在过零点后延时30°电度角,进行MOSFET 开关管的电流转换;(4)

1

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图3　无刷直流电机起动程序框图Fig 13　BLDCM

Start 2up Program Block Grap h

在MOSFET 开关管转换后,在延时15°电度角进行下一模式M 2的反电势状态检测,依次向下检测从而实现无刷直流电机的正确换相[4].但实际应用中因硬件控制使电路检测到的反电势过零点产生相角位移,导致位置检测不准确,因此就存在一个相角位移修正的问题.根据U 相反电势检测硬件电路原理图可得:

V u V o =

R 2

R 1+R 2+j 2

πf R 1R 2C 1式中:f 为反电势运行频率.

相角位移　

α=arctan 2πR 1R 2C 1f

R 1+R 2

由于反电势频率与电机转子角频率成正比,故相角位移α与电机转速成正比,此时实际相角位移延时角γ=90°-α.根据不同的反电势运行频率预先计算出相角位移延时角γ,在程序中利用查表的方式对反电势过零点与换相点之间进行相位角的修正和处理.

2　试验结果

本文试验控制的无位置传感器无刷直流电机,额定输出功率为20W ,额定转速为

3000r/min ,三相六极.采用文中所述开环起动策略,实现了无位置传感器BLDCM 的起动.图5所示为无位置传感器直流无刷电机平稳运行时由试验测得的定子三相绕组中其中两相的感应电势波形.

3　结束语

利用A TC2051的快速运算处理能力及它有效的简单片外硬件控制电路,依靠程序软件的设计,较好的实现了无位置传感器无刷直流电机的开环起动控制,提高了系统的灵活性和稳定性,降低了控制电路

2

21西南师范大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　第32卷

的设计成本.尽管这种起动方式实现起来比较简单、方便,但对换相时间间隔要求较严.当电机惯量不同或带一定负载起动时,切换时间需要调整,否则可能造成电机起动失败或电机反转现象,因此一般适用于电机空载起动.参考文献:

[1]

Tay S H ,Basu K P ,Subbiah V 1Permanent Magnet Brushless Motor Control Techniques[J ]1IEEE PECON ,2003,16(3):133

1381

[2]　吴筱辉,程小华,刘　杰1反电势法检测转子位置的直流无刷系统起动方法[J ]1中小型电机,2005,32(5):60

631

[3]　羊　彦,景占荣,陈文斌,等1无位置传感器直流无刷电机转子位置检测新方法的研究[J ]1电气传动,2004,28(2):20

231

[4]　李　强,林明耀,李海文,等1无传感器无刷直流电机控制系统及其起动分析[J ]1微电机,2003,36(3):33

351

A Method of

B ldcm Sensorless Open 2Loop Start 2up

L I Tian 2shu ,　XIE Shou 2yong ,　L IU 　J un ,　GU AN 　Ping

Engineering and Technology College ,Southwest University ,Chongqing 400716,China

Abstract :On t he basis of A TC2051chip ,a software met hod is p ut forward for t he sensorless t rapezoidal B EM F BLDCM in t he open 2loop start 2up cont rol.This met hod can effectively overcome t he operation diffi 2culties resulting f rom t he small back EM F (elect romotive force )when t he non 2starter and sensorless brush 2less DC motor runs at a low speed.The feasibility of t his met hod is verified by an experiment.K ey w ords :A TC2051;sensorless brushless DC motor ;back elect romotive force

责任编辑　陈绍兰　　　　

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