无位置传感器直流无刷电机软件起动

电　机　与　控　制　学　报

ELECTRIC　MACHINES　AND　CONTROL

Vol113No15Sep.2009

无位置传感器直流无刷电机软件起动

许鹏,　曹建波,　曹秉刚

(西安交通大学机械工程学院,陕西西安,710049)

摘　要:为了解决无位置传感器直流无刷电机在起动时基于反电动势的位置检测方法无法提取出

位置信息的问题,分析了无位置传感器直流无刷电机的起动方法,针对电动车这一特殊的应用场合进行了相应的改进,电动车在起动时有负载且负载情况复杂,对传统的三段式起动法进行改进,设计了无需附加任何起动控制电路的起动控制策略,由软件程序控制电机正常起动,其控制步骤为两次定位、分段加速、调压切换的三段式起动方案。实验结果研究表明此起动控制方法有良好的起动性能,在电动车不同的负载情况下具有很好的控制效果。关键词:电动车;直流无刷电机;无位置传感器;起动中图分类号:TP27114

文献标志码:A文章编号:1007-449X(2009)05-0734-05

SoftwarestartingforbrushlessDCmotorwithoutpositionsensor

XUPeng,　CAOJian2bo,　CAOBing2gang

SchoolofMechanicalEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China

Abstract:Inordertosolvetheproblemthatthepositiondetectionmethodcannotextractthepositionin2formationbaseonbackelectromotiveforcewhenthebrushlessDCmotor(BLDCM)withoutpositionsen2sorstarts,itanalyzedthestartingmethodoftheBLDCM.Aimingtowhichhascomplexloadthespecial

applicationoccasionofelectricvehicle(EV),itimprovedthetraditionalthree2phaseway,anddesignedacontrolstrategydispensingwithoutanystartingcontrolcircuit,whichwasdependingonthesoftwarepro2gramtocontrolBLDCMstarting.Thecontrolprocessconsistofthetwo2times2location,segmentaccelera2tionandvoltageregulationswitchover.TheexperimentalresultsindicatethatthisstartingcontrolmethodhasgoodstartingperformanceandgoodcontroleffectwhentheEVhasdifferentloads.Keywords:electricvehicle;brushlessdirectcurrentmotor;positionsensorless;starting

0　引言

　　永磁直流无刷电机(brushlessDCmotor,BLD2CM)利用电子换相代替了机械换相,既具有交流电机的结构简单、运行可靠和维护方便等一系列优点,又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗及调速

性能好、起动转矩较大等特点,在电动车领域有着广泛的应用。BLDCM采用无位置传感器控制,可

以缩小电机体积,提高系统抗干扰能力。精确的无位置传感器控制还能避免位置传感器可靠性差、安装精确度不足带来的换相转矩脉动。因此,近年来

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一直是研究的热点。

[1-2]

收稿日期:2009-03-04

基金项目:创新基金项目(06C262116100555);陕西省自然科学基金(SJ08E218),教育部留学回国人员基金(2008-0);西安市科技计划项

目(CY05012)

作者简介:许　鹏(1976—),男,博士研究生,主要研究方向为电动汽车控制;

曹建波(1981—),男,博士研究生,主要研究方向为电动车复合电源系统研究;曹秉刚(1953—),男,博士,教授,主要研究方向为电动汽车系统与控制。第5期无位置传感器直流无刷电机软件起动

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直流无刷电机起动时需要知道转子磁极相对于定子绕组的位置,以便正确导通电枢绕组使电机按照要求的方向旋转。采用反电动势过零法检测转子位置时,由于永磁直流无刷电机在静止或低速时反电动势为零或很小,各种基于反电动势的位置检测方法无法提取出位置信息,反电动势法已经不适用,电机不能自起动,需要采用特殊的起动方法。另外,电机的起动过程受其负载转矩、外加电压、加速曲线及转动惯量等诸多因素影响。因此零起动问题成为直流无刷电机无位置传感器控制的难点之一。本文分析了无位置传感器的直流无刷电机的起动方法,并进行了比较,针对电动车这一特殊的应用场合进行了改进。文中电机为三相6状态,电机的绕组为Y形连接,120°电角度,采用两两导通调制方式。

比逐渐提高电机的外施电压。各触发组合状态

的持续时间最大值保持不变,设为T0。与自控式状态一样,用计数器计时,换流时刻固定在T0/2处,换流后对开路相的感应电动势过零点进行检测。只要检测到开路相的反电动势过零点,或计数器到达T0时还没检测到开路相的反电动势过零点,计数器就重新复位,到T0/2后再换流,这样依次进行。最后,若连续N次检测到开路相的反电动势过零点,就切换到自控式状态。113　升频升压同步起动法升频升压同步起动法的电路框图如图1所示。电路通过电流后,加在电容C上的电压UC便缓慢上升,UC加在压控振荡器输入端,压控振荡器的输出经分频后作为时钟信号加到环形分配器上,环形分配器的输出信号转换成换相信号加在功率放大电路上,控制绕组的导通。同时,UC加到PWM电路的输入端作为调制信号,使PWM信号占空比随UC变化,控制绕组导通的脉冲宽度,也即为控制加在绕组上的电压。这样随着UC的上升,加在绕组上的电压与频率也逐渐上升,以升频升压方式驱动电机运行。另外,将UC与设定的阈值进行比较,当UC达到一定数值后,即电机转速达到一定数值后,经逻辑电路将电机切换到直流无刷电机运行状态,完成

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起动过程。

1　起动方法分析

目前,无位置传感器直流无刷电机的起动方法主要有:三段式起动法、预定位起动法、升频升压同

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步起动法、短时检测脉冲转子定位起动法等。111　三段式起动法所谓的三段式起动法,即首先对转子进行定位,然后采用外同步的方式,使电机逐步加速至预定速度,当可以稳定得到反电动势过零点信号时,切换到自同步方式运行。其具体过程如下:

1)转子预定位。由控制器自身来决定转子的位置,当电机任意两相绕组通电后,产生一个合成磁场,转子会向合成磁场的轴线方向旋转,直到转子磁极与这个合成磁场轴线重合。

2)外同步加速。转子定位完成以后对电机加速,使电机达到一定转速,产生足够大的反电动势才能准确的检测其过零点。

3)外同步加速到自同步的切换。当电机的转速达到可以稳定检测反电动势过零点时,按照控制策略切换到自同步状态。但是切换必须满足一定的条件,否则切换过程中电机运行不平稳,甚至转速急剧下降,反电动势信号重新变得太弱而无法检测,最

[7]

终导致起动失败。目前,如何能稳定的进行切换仍是无位置传感器直流无刷电机起动控制中的热点和难点之一。112　预定位起动法预定位起动法实现过程如下:首先为预定位,与三段式转子预定位相似;其次为起动阶段,按照所需的转向依次改变逆变器功率器件的触发组合状态,同时用“端电压法”检测各触发组合状态所对应的开路相的反电动势过零点,并通过提高PWM占空

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图1　升频升压同步起动法原理

Fig.1　Principlediagramofraisingfrequencyraising

voltagesynchronousstartingmethod

114　短时检测脉冲转子定位起动法

短时检测脉冲转子定位起动法的原理为:永磁

体转子对带铁心的定子线圈具有增磁或去磁作用,使线圈电感减小或增大;转子的位置不同,线圈电感的大小也不同。对定子绕组施加固定脉宽的检测脉冲后,不同的检测峰值脉冲电流对应不同的铁心电感,通过成对比较铁心线圈电感的大小逆推回去,就

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可检测出转子的位置,从而实现转子的定位。通过转子位置代码表,得出转子位置及随后加速时将需要的通电相序。当加速脉冲结束后,再一次发出6个检测脉冲确定转子的位置,然后再确定将要通

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位差满足切换条件时,电机的驱动信号由外同步

信号切换为位置检测信号,最终实现自同步运行完成电机的起动。控制无位置传感器直流无刷电机起动的软件流程图如图2所示。

电的相序并进行加速。不断重复检测—加速—检测—加速过程,直到电机转速高到可以用反电动势法检测转子位置时为止,此时再把电机切换到直流无刷电动机运行状态,从而完成电机的起动过程。

2　起动方法选择与改进

为实现电机的顺利起动,往往需要附加起动控制电路,增加了系统的成本,而且使系统变得更复杂。设计的起动控制策略则无需附加任何起动控制电路,由软件程序控制电机正常起动。

为了节约成本并增强系统的可靠性,经过分析比较,采用三段式软件起动方式。由于电动车的特殊情况,即起动时有负载,且负载情况复杂。因此本文对三段式软件起动法做了改进。

定位阶段,先由程序控制给任意两相定子绕组通电而另一相关断,则电机定子合成磁势轴线在空间上有一定方向,把转子磁极拖到与其重合的位置,经过一段时间即可确定转子的初始位置,即一次定位。为降低干扰和避免定子磁势方向与转子磁势方向为180°时电机无法准确定位的问题,采取了二次定位法,即先给两相绕组通电,之后旋转60°电角度再换两相绕组通电。

加速阶段分为两部分,初期是一段升频升压过程,由控制芯片产生PWM波形控制逆变器,使逆变器的换相频率从小到大慢慢的增加,而且给电机定子的电压开始很小并逐步增加,把直流无刷电机作为永磁同步电机实现变频起动,之后有一段时间的恒频恒压稳定过程,使速度达到一个稳定值,这样可以得到反电动势的位置信号。整个加速过程约持续013s的时间。加速期间程序不进行反电动势的过零检测,换相不受反电动势检测信号的控制,换相时间间隔由软件延时控制。

切换阶段在加速的同时,将PWM波形的参数送入比较器进行比较,当PWM的占空比达到一定数值,也就是电压足够大,并且检测电机转速达到一定速度以后,即可以获得足够大的反电动势,此时就可以适时地将电机切换到利用反电动势检测信号控制换相的运行状态。起动时,应该施加稍高的电压;当到达切换速度时,应调整电压,使经滤波产生的过零信号的相位滞后与理论值差值最小,避免切换失败。外同步信号与转子位置信号之间的相位鉴别可以较容易地由控制芯片来实现,使用捕获单元来捕获转子位置的跳变,通过比较计算捕获的时间来判断外同步信号与自同步信号之间的相位差。当外同步信号与自同步信号相

图2　无位置传感器直流无刷电机软件起动控制流程Fig.2　FlowchartofthepositionsensorlessBLDCM

softwarestartingcontrol

在所设计的系统中,先导通A、B两相,C相关断,程序控制这一过程持续一段时间后,再导通A、C两相,B相关断,再持续一段时间以保证能够确定转子的初始位置,之后,按电机正转换相逻辑BC→BA→CA→CB→AB→AC的换相顺序给绕组升频升压供电一个换相周期,再恒频恒压稳定几个周期,这样就可以保证电机起动后转向确定,避免造成反转,开环换相过程结束后进行调压切换到自控运行方式,至此完成电机的起动过程。

上述起动策略中的开环换相过程的换相时间间隔应该选择得当,否则状态切换后会造成电机不能正常起动,其值可以参考电机最小反电动势周期值进行选取。根据调试经验,其值为电机最小反电动势周期值的一半时,电机可以顺利起动。另外,在切换时,由开环起动的PWM值转换到闭环控制的PWM值,要进行适当的柔和处理,以避免电机的抖动,降低电动车的起动噪音和改善起动的平稳性。

无位置传感器直流无刷电机起动控制软件中主要部分是电机的调速部分,需控制电机完成起动和正常运行,切换时,通过软件调整运行电压,使切换时刻最佳。当切换完成后,电机的运行与有位置传感器直流无刷电机相似。

3　实验结果分析

以一台大连恒田永磁电机有限公司,型号为BS6-1900电动车专用永磁直流无刷电机为实验对象,其额定电压为72V,额定功率为6kW,峰值功率为10kW,额定转速为1900r/min,额定相电流平均值为166A,峰值相电流平均值为280A,最高转速为3500r/min,额定转矩为30N・m,过载转矩为

第5期无位置传感器直流无刷电机软件起动737

50N・m。加载实验过程中利用四川诚邦测功机平

台进行加载实验。实验中,由测试平台自动记录电机的电压信号、电流信号以及位置方波信号。电流测试中,LEM电流传感器信号采用100Ω的电阻分压送入芯片,测试电压与实际电流比例为1∶15。图3所示为控制系统加载实验平台框图。

图3　控制系统加载测试平台

Fig.3　Blockdiagramofcontrolsystemloadingtestplatform在起动实验中,首先进行了一种特定负载情况的测试,通过示波器观察起动过程的3个阶段。起动过程的波形如图4所示,图示所测波形是在所加负载转矩为10N・m的情况下,以25ms/格的时间横轴,2V/格的电压纵轴所测。因为在主控制电路中采用单向AD信号调理电路,所以所测试的相电流波形都为单向,即反相的电流被截止。在程序处理中,电流取绝对值。由图中可以明显的看出起动的三个阶段:定位、加速、切换。整个起动过程的时间大约是013s,最大电流值160A。定位阶段较易实现,定位后有一定的延时。其中由于负载的缘故,在升频升压的开始阶段之后,有一段以固定的频率和大PWM占空比的加速阶段,此阶段保持时间较长,约0115s,以保证电机加速到足够的速度。然后切换到自同步控制,以系统的驱动控制PWM占空比指令运行,此切换过程中有略微的电流波动,而且是电流逐渐减小,这是由于调整电压所引起的。图5是对应的电机起动时的速度变化情况。

　　在验证特定负载成功起动的基础上,又进行了不同负载的起动实验。图6为无位置传感器直流无刷电机的实际起动相电流波形,图6(a)为空载情况下的起动电流波形,图6(b)为20N・m转矩负载情况下的起动电流波形,图6(c)为30N・m转矩负载情况下的起动电流波形。3种情况下,起动过程中电机相电流频率以预定的频率逐渐增加,定位过程和切换过程的时间随负载的不同略为不同,负载

图4　加10N・m负载情况下电机的起动过程

Fig.4　Startingprocesswhenthemotor’swith

loadof10N・m

738电　机　与　控　制　学　报　　　　　　　　　　　　　第13卷　

越大,起动时间也就越长,起动也就越困难,加速过

程以较大电流运行,最大电流基本相同,为160A左右。由图6起动电流波形可以看出,电机起动时电流保持较大起动电流,当速度达到给定值时切换到闭环工作状态,电流逐渐减小,最后达到正常运行电流。

图7则是起动过程中示波器时间档调小测得的起动过程微观相电流波形,可以看出每相通电过程中的换相点,电机三相在可控的起动加速换相。

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　　由以上实验可知使用本文提出的起动方法可以

顺利完成电机的起动,实验波形与起动过程理论分析相符合。

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4　结　语

针对电动车用无位置传感器直流无刷电机起动难的问题,分析了现有的起动方法,指出了现有方法的不足,根据电动车用直流无刷电机特点,为了节约成本,提高控制的可靠性,设计了两次定位、分段加速、调压切换的三段式软件起动方案,通过控制器软件程序,对电动机起动进行控制。根据电动车起动负载不确定的情况,对不同的负载进行了平台实验,实验结果表明,负载越大,起动时间也就越长,起动也就越困难,该控制器能够在不同负载下可成功起动,改进后的控制系统能成功实现无位置传感器换相控制,可使电动车驾驶更加平稳安全舒适。

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(编辑:于智龙)