无位置传感器BLDCM起动方法的改进

   摘要：分析了常规无位置传感器无刷直流电动机(BLDCM)起动过程中电流过大的问题，引人电流闭环对无位置传感器BLDCM起动方法进行了改进，解决了起动时电流较大的问题。对电流闭环起动方法加速过程以及稳态运行时的仿真研究表明，该改进措施不仅可以解决起动电流过大的问题，而且具有较好的稳态和动态响应速度。    

0引  言

   近年来，随着稀土永磁材料的发展，永磁无刷直流电动机(以下简称BLDCM)得到迅速推广。因其体积小、结构简单、可靠性高、易于控制等特点，BLDCM受到普遍关注，广泛应用于伺服系统、医疗器械以及家用电器等国民经济的各个方面。传统BLDCM控制系统的位置传感器带来诸多不便，因此，现代BLDCM控制系统多采用无位置传感器控制技术，目前比较成熟的无位置传感器运行控制方法有多种，但反电动势检测法是最简单且实用的方法。但是由于无刷直流电动机在静止或者低速时反电动势为零或者很小，无法用来判断转子位置，因此反电动势检测法需要采用特殊的起动方式。进而，需要寻找一种有效的起动方法，使电动机在静止状态下可以起动。而目前均采用开环三段式起动。采用开环起动方式时，起动电流较大，起动电流大约为稳态电流的5倍，会使电机的过流保护装置动作，甚至不能起动。较大的起动电流会导致较大的起动压降，影响其他用电设备，因此必须采取措施限制起动电流的大小。针对以上问题，

本文提出了一种实用的无位置传感器BLDCM外同  步单闭环(电流环)起动、自同步双闭环稳定运行的  方法，此方法起动效果较好，不影响稳态和动态运  行。仿真结果验证了此方法的可行性。      

ØBLDCM控制原理  

图1  BLDCM反电动势和电流曲线

BLDCM要采用外同步的方法进行自起动、加  速、直到电机产生的反电动势足够大，再切换到电机的自同步运行方式，这个过程称为三段式起动技术。本文以两相导通星形三相六状态为例，分析BLDCM数学模型及特性，

BLDCM反电动势和相电流关系如图1所示。为了便于分析，并作如下假设：

   (1)三相绕组完全对称，气隙磁场为方波；

   (2)忽略换相过程和电枢反应等的影响；

   (3)磁路不饱和；

   (4)不计涡流和磁滞损耗。

则三相绕组的电压平衡方程可表示为：  （1）

                                              （2）

                                       （3）

                                                  （4）

式中：u、i、e分别为定子绕组相电压、相电流和相感应电动势列向量；r、L和M分别为对角元素皆为r、L、M的对角阵；r、L、M分别为绕组相电阻、自感和相间互感；p为微分算子；ω为机械转速；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；B为阻尼系数；J为转动惯量常数。式(3)中，“一”和“+”对应电机正转和反转。E为梯形渡反电动势幅值，K为电动机感应电动势系数。

 图2无位置传感器BLDCM控制系统原理框图

由以上描述的BLDCM数学模型，建立BLDCM原理框图，如图2所示。由此图可知，BLDCM在稳态运行时，采用转速、电流双环控制。速度调节器(ASR)采用Pl算法，速度给定信号n*与反馈信号n送给ASR，其输出作为相电流信号的参考幅值is*通过位置检测器输出的转子位置确定相电流的逻辑关系，从而由定子绕组电流发生器产生三相参考电流ia*、ib*、ic*与电流信号的反馈值ia、jb、ic送给电流调节器(ACR)，采用滞环控制，形成PWM调制波，控制逆变器输出电压。反电动势过零检测单元通过检测BLDCM的端电压，确定过零点，通过位置检测器得到转子位置信号，控制相电流逻辑和逆变桥导通逻辑。对此原理图仿真建模，得到的三段式起动A相电流如图3所示，此方案中的稳态电流为9 A。由图3可知，起动电流为39．5 A，大约是稳态电流的4．3倍，即起动电流较大，为了确保系统的可靠性，所以必须采取措施限制起动电流。为此，本文提出了一种新颖的起动电路，将在下节详细讨论。

   图3 三段式起动电流曲线

2  电流闭环起动技术

2．1电流闭环起动原理

   本文提出的电流闭环起动技术，解决了起动时电流较大的问题，确保了控制系统的稳定性。整个系统原理框图如图4所示，它是在图2的基础上在＆单元与逆变器单元之间增加了电流闭环起动和信号选择单元，如虚线框内所示。本方案采用“连续两次”定位的方法，确保定位成功。根据定位后的转子初始位置，仿真电机在双闭环控制条件下的运行过程，把此时的仿真结果作为给定的加速曲线nref设入电流闭环起动电路。对于加速过程，它的原理如图5所示，对于给定加速曲线nref通过位置检测器产生BLDCM转子相应的位置，从而产生逆变桥的逻辑开通信号，保证在任意时刻，只有两个管子同时导通。通过位置检测器得到的BLDCM转子位置，可以确定定子三相电流的逻辑关系，因此将给定电流曲线iref经过定子电流发生器，产生三相定子参考电流ia*、ib*、ic*，与反馈的三相定子流ia、ib、ic，产生电流误差信号△i，该误差信号经过滞环PWM控制器，产生适当的基极驱动信号，并且与逻辑控制

信号进行与操作，送与逆变桥作为各基极触发信号。通过调节给定电流曲线的形状和大小，即调节规律为：在某一时刻，当n<nref时，增加此时刻iref值，反之，则减小iref值，经过多次试验调节，使BLDCM转速n与给定加速曲线nref相吻合，达到闭环起动的目的。与传统开环起动相比较，该起动方法可以确保起动电流较小，保证整个控制系统起动的可靠性。

 图4  电流闭环起动系统原理框图

 图5电流闭环加速起动原理框图

   电机起动加速到足够高的速度以后，就能够准确地检测到反电动势的过零点信号，则可以从外同步运转切换到根据反电势过零点信号来运转，即自同步运转，此功能由图4中的信号选择电路来实现，

2．2电流闭环起动电路仿真

   本文基于Matlab／Simulink建立了BLDCM电流闭环起动系统的仿真模型，仿真参数设置：r=3Ω，L=20 mH，M=6．7 mH，J=5×l0¯³kg·㎡，阻尼系数B=13．6×10N-m·s／rad，感应电动势常数Ke=0．065 V·s／rad。转速PI调节器的参数：Kp=20，Ki=100。电流滞环PwM控制器的环宽为O．05。逆变器直流电源：Udc=300 V。

   在电机定位基础上，进行电流闭环起动的仿真。图6为在给定的加速曲线下，不同起动方式对应的转速曲线，由此图可知，本文提出的电流闭环起动方法所得到的实际转速曲线，与三段式起动转速曲线相比，能更好地跟踪给定加速曲线，切换之后(仿真中切换速度取460 r／mjn)电机能迅速地达到稳态，不出现振荡现象。图7为不同起动所对应的A相绕组电流，从图7可以明显看出，电流闭环起动的最大电流只有20 A，大约为开环起动电流的l／2，即此方案解决了起动时电流较大的问题。

图6不同起动方式对应的转速曲线                   图7不同起动方式对应的起动电流

2．3稳态运行仿真

   BLDCM系统负载转矩LL=1 N·m恒定，在t=2 s时刻，转速由600 r／min阶跃为520 r／min，可以得到系统转矩和转速、A相电流和A相反电动势波形分别如图8和图9所示。由仿真波形可知，系统速度响应快速且稳定。转速超调量σ=0．11％，上升时间tr=0．46 s，在仿真时间t=2 s时刻，转速发生阶跃，而系统仍能迅速达到稳态，这表明系统具备良好的快速响应和动态性能。图9为A相电流和反电动势波形，由该图可知，系统稳态运行时，具有

理想的电流和反电动势波形。

（a）电磁转矩曲线      （b）转速响应曲线              图9  A相电流和A相反电动势波形

图8电磁转矩和转速响应曲线                          

3   结语

   本文提出了一种新颖的无位置传感器BLDCM的电流闭环起动方法，对此方法进行了分析和建模，并用仿真结果证明了理论的正确性。此方法解决了起动电流较大的问题，提高了系统的稳定性和可靠性，具有一定的理论研究价值和实际应用价值。