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（上海交通大学电子通信工程系，上海 200072）  谢亦峰，贺永刚，耿相铭

谢亦峰

女，江苏泰兴人，上海交通大学在读硕士研究生，专业为通信与信息工程。

1  引言

    近年来，随着电力电子技术、微电子技术及新型元器件和磁性材料（如MOSFET、IGBT、以及钐钴合金、钕铁硼等）的发展，BLDC（Brushless Direct Current，即无刷直流）电机以其独特的体积小、重量轻、效率高、力矩大、调速性能好等优点在人造卫星、数控机床、机器人、电动车辆、家电等领域获得了广泛的应用，特别是无位置传感器的BLDC电机调速技术更是受到业界的青睐[1][2]。

    传统的永磁BLDC电机均需一个附加的位置传感器，用以向逆变桥提供必要的换向信号，它的存在给BLDC电机的应用带来很多的缺陷与不便：(1) 位置传感器会增加电机的体积和成本；(2) 连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性，即便是现在应用最为广泛的霍尔传感器，也存在一定程度的磁不敏感区；(3) 在某些恶劣的工作环境中，如在密封的空调压缩机中，由于很高的工作温度，位置传感器无法正常工作[1]。此外，传感器的安装精度还会影响电机的运行性能，增加生产的工艺难度。针对位置传感器所带来的种种不利影响，近一二十年来，无位置传感器BLDC控制一直是国内外较为热门的研究课题。为了实现无位置传感器BLDC控制，人们做了大量的研究，设计了很多转子位置控制电路及信号处理方法。“反电势过零点控制法”是迄今为止最成熟、最有效，也是最常见和应用最为广泛的一种转子位置信号控制方法。文献[3][4]中，均采用硬件实现方法，其实现原理是断开相的端电压直接与直流电压的一半通过硬件比较器进行比较，这种方法能够达到较好的结果，但是如果直流电压不成比例的变化，过零点就会漂移，导致很难在可测量速度范围内确定有效的换向时序。况且，他们的方法较传统，过零控制中均采用硬件比较器，换向时序控制灵活性较差。本文提出一种新的反电势过零点控制法，即用软件实现方法，硬件平台中无需比较器。该方法确定过零点灵活性较大，且可以加入数字滤波器以滤除高频开关导致的干扰信号，电机运行稳定。

2  软件法实现BEMF过零控制思路

    无位置传感器BLDC电机控制研究的核心和关键就是架构一转子位置信号控制电路，从软硬件两个方面来间接获得可靠的转子位置信号，借以触发导通相应的功率器件，驱动电机运转。反电动势法是其中的一种，这种方法的基本原理就是在忽略永磁BLDC电机电枢反应影响的前提下，通过控制“断开相”（逆变桥上下功率器件皆处于关断的那一相）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，驱动电机运转[5]。

    软件法思想如下：运用高速在芯片模数转换器，直接连续读取反电动势信号并与对应零点的数字值比较，这种方法确定过零点灵活性较大，且可以加入数字滤波器以滤除高频开关导致的干扰信号，如图1所示。

图1  无位置传感器BLDC电机控制系统框图

3  软件法实现过零控制原理分析

    如图1所示，对于理想电机：Ra=Rb=Rc=R    La=Lb=Lc=L  (1)

    对于A相：Vn=VDC-i?R-L?di/dt-ea     (2)

    对于B相：Vn=i?R+L?di/dt-eb   (3)

    由上(2)(3)两式得：Vn=(VDC-(ea+eb))/2      (4)

    由于ea+eb+ec=0      (5)

    所以Vn=(VDC+ec)/2   (6)

    可得端电压与反电动势关系为：       (7)

    反电动势过零控制方程为：          (8)

    由(8)式可知，在PWM关闭期间，不通电相端电压等于电源电压一半时，该时刻即为反电动势过零点时刻。

4  过零控制软件设计

    本系统工作时钟为14.7456MHz，PWM开关频率为12kHz。程序包括主程序、电机起动定位程序、过零控制程序、换向程序、速度控制程序等。

    4.1  过零控制软件设计策略应注意如下几点：

    (1)  换相后，延迟反电动势过零控制，根据应用一般延迟1～2个PWM周期的时间，以降低PWM噪声的影响；

    (2)  反电动势转换结果进行脉冲干扰滤除处理，本文采用4级滚动平均滤波；

    (3)  动态补偿电动势过零点漂移，补偿方案见表1；

    (4)  过零比较起始点的确定，本文采用500RPM，包含容差处理；

    (5) 过零确认，消抖动处理。

    4.2  过零控制程序流程图如图2所示

图2  过零控制程序流程图

    4.3  本实验A、B相端电压波形如图3所示

通道1、3分别为A、B相端电压波形，通道2为BEMF波形

    图3  本实验端电压波形

5  结语

    反电势法原理简单，实现相对方便，是目前应用最多的一种无位置传感器的位置控制方法，但这种方法也有两个难点，即：起动困难和误差补偿。当电机静止时或转速较低时，反电势为零或很小，很难通过反电势过零点控制来得到正确的位置信号，方法不当很容易造成电机失步、起动失败。此外，反电势法因为忽略了电枢反应对气隙合成磁场的影响，故在原理上就存在一定的误差。电机转速越低，误差就越大，所以在反电势法的BLDC电机的无位置传感器控制中，必须要有一定的误差补偿措施。本文提出的控制方法，很好的解决了上述问题。通过实验表明，该方法能够使得电机低速运行到800转/秒，多种起动控制方法保证了电机起动平稳，利用软件法过零控制方法，容易实现误差补偿，使得电机运行平稳。本文提出的设计思路和方法可以为同步电机控制借鉴，具有广阔的应用前景。

    其他作者：贺永刚，男，江苏建湖人，硕士，专业为检测；耿相铭，男，高工，专业为通信与信息工程。

参考文献
[1]  陈国呈. 新型电力电子变换技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2004.
[2]  张琛. BLDC电机原理及应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 1996.
[3]  J.Shao, D.Nolan, and T.Hopkins,