擇多函數(shù)在無刷直流電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用
張淑艷，王行愚，姚曉東
(華東理工大學(xué)，上海200237)
摘要：轉(zhuǎn)子位置信息的獲得是無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)控制的關(guān)鍵技術(shù)，一般采用基于位置檢測(cè)電路的反電勢(shì)檢測(cè)法，而擇多麗數(shù)法省掉了位置檢測(cè)電路，運(yùn)用反電勢(shì)信號(hào)及邏輯運(yùn)算關(guān)系判定測(cè)試條件“真”到“假”的變化，消除噪聲對(duì)反電勢(shì)信號(hào)的影響，獲得正確的反電勢(shì)過零點(diǎn)。該方法在基于DsP的無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)控制平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明該方法可以在2～3倍負(fù)載條件下有效濾除反電勢(shì)虛假過零點(diǎn)，獲得準(zhǔn)確的反電勢(shì)過零點(diǎn)，性能可靠，靈活性和實(shí)用性較高。
關(guān)鍵詞：擇多函數(shù)；反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)；虛假過零點(diǎn)；無位置傳感器；無刷直流電動(dòng)機(jī)；濾波
中圖分糞號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004一7018(2010)01—0045—03
0引 言
傳統(tǒng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方法是采用電子式或機(jī)電式位置傳感器直接測(cè)量[1]。由于大部分傳感器的分辨率較低，運(yùn)行特性不好，對(duì)環(huán)境條件很敏感，使得整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和精確性難以得到保證，而且傳感器還大大增加了電氣連接線數(shù)目，給抗干擾設(shè)計(jì)帶來一定困難。在精確的位置伺服系統(tǒng)中由于空間有限，無法安裝傳感器，因此無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)成為理想的選擇，并具有廣泛的發(fā)展前景。
在無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)(以下簡稱BLDcM)控制中，轉(zhuǎn)子位置信息的獲得是關(guān)鍵技術(shù)。目前應(yīng)用的方法有反電勢(shì)法、三次諧波法、電感檢測(cè)法、卡爾曼法、狀態(tài)觀測(cè)器法、G(θ)法和智能化控制方法[2]，其中反電勢(shì)檢測(cè)法是BLDcM控制中應(yīng)用最多、最成熟的方法，該方法的核心是準(zhǔn)確獲得反電勢(shì)過零點(diǎn)[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，反電勢(shì)并不是理想的梯形波，存在由PwM調(diào)制產(chǎn)生的于擾，繞組斷電產(chǎn)生的干擾等[4]。因此，一般反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)都要經(jīng)過分壓電路、模擬濾波電路和電壓比較電路以及鎖相環(huán)電路后，送入控制單元，這樣獲得的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)必然存在一定的延時(shí)，造成換相時(shí)刻不準(zhǔn)確，必須相移補(bǔ)償環(huán)節(jié)來解決這個(gè)問題，給控制帶來難度。
本文采用擇多函數(shù)代替位置檢測(cè)電路來實(shí)現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)，該方法不需要復(fù)雜的濾波、比較電路，方便實(shí)現(xiàn)，靈活性高，而且可以有效去除反電勢(shì)檢測(cè)中的虛假過零點(diǎn)，獲得準(zhǔn)確的反電動(dòng)勢(shì)過點(diǎn)，完成對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)控制。本文將該方法應(yīng)用于BLDcM的控制，實(shí)驗(yàn)測(cè)得額定電壓、不同負(fù)載條件下的BLDcM轉(zhuǎn)速和控制效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法的適用范圍廣，可以在BLDcM的2～3倍負(fù)載情況下去除反電勢(shì)中的虛假過零點(diǎn)，保證BLDcM運(yùn)行平穩(wěn)。
1反電勢(shì)檢測(cè)法概述
反電勢(shì)法的基本原理就是在忽略永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)電樞反應(yīng)影響的前提下，通過檢測(cè)“斷開相”的反電勢(shì)過零點(diǎn)，來依次得到轉(zhuǎn)子的六個(gè)關(guān)鍵位置信號(hào)，并以此作為參考依據(jù)，輪流觸發(fā)導(dǎo)通六個(gè)功率管，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。
本文以電樞繞組采用星形接法的“三相六拍120。方波型”驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)為例來說明反電勢(shì)檢測(cè)方法的原理。圖l是無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理圖和等效電路圖，圖2是三相繞組的反電勢(shì)信號(hào)和轉(zhuǎn)子位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖3是各功率管的導(dǎo)通時(shí)序。通過以上各圖我們可以看到在逆變器供電的任何一瞬間，總有一相其上下橋臂均處于斷開狀態(tài)，即電動(dòng)機(jī)該相繞組是懸空的，故該相繞組的相電壓等于該相繞組所產(chǎn)生的反電勢(shì)。檢測(cè)這一反電勢(shì)的過
零點(diǎn)時(shí)間，并作適當(dāng)延遲，即可得到功率器件正確觸發(fā)時(shí)刻。
可以看出，反電勢(shì)檢測(cè)法的關(guān)鍵是反電勢(shì)過零點(diǎn)的檢測(cè)，如果獲得了準(zhǔn)確的反電勢(shì)過零點(diǎn)，那么就可以控制無位置傳感器BLDcM。本文詳細(xì)討論擇多函數(shù)在無位置傳感器BLDcM反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)中的應(yīng)用方法。
2擇多函數(shù)在無位置傳感器BLDcM反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)中的應(yīng)用
2．1擇多函數(shù)概述
擇多函數(shù)是一種布爾函數(shù)，用作一種非線性數(shù)字濾波器，它取n個(gè)二進(jìn)制數(shù)作為輸入并返回這些數(shù)中出現(xiàn)次數(shù)最多的那個(gè)數(shù)[5]。擇多函數(shù)的布爾表示法為：
式中：Majority為擇多函數(shù)的輸出；^為與邏輯運(yùn)算符；V為或邏輯運(yùn)算符。
2．2擇多函數(shù)在反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)中的應(yīng)用
基于擇多函數(shù)的元位置傳感器BLDcM反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)方法的步驟如下：
(1)通過DsP的ADc口對(duì)反電勢(shì)進(jìn)行采樣，采樣頻率同PwM調(diào)制頻率；
(2)利用“與”和“異或”兩個(gè)邏輯運(yùn)算符將當(dāng)前反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的狀態(tài)保存下來，其中，“與”運(yùn)算符用來檢測(cè)與當(dāng)前換相狀態(tài)對(duì)應(yīng)的反電勢(shì)信號(hào)，“異或”(xOR)運(yùn)算符用來檢測(cè)當(dāng)前反電勢(shì)信號(hào)的上升或下降沿。
(3)構(gòu)造一個(gè)包含6樣本窗口反電勢(shì)各種可能情況的數(shù)組，大小為26，該數(shù)組的構(gòu)造方法如下：
N是數(shù)組的下標(biāo)，數(shù)組值代表一個(gè)指向隨時(shí)間變化的下一個(gè)信號(hào)狀態(tài)的指針。當(dāng)選擇最重要樣本中“1”的出現(xiàn)機(jī)會(huì)至少大于50 ，而次要樣本中“0”的出現(xiàn)機(jī)會(huì)至少大于50 ，即一個(gè)下降沿產(chǎn)生時(shí)，把該數(shù)組值定義為“l(fā)”，表示邏輯測(cè)試條件發(fā)生“真到假”的變化。根據(jù)上述規(guī)則，表1給出了數(shù)組的定義。
(4)濾波器不斷查詢邏輯測(cè)試條件的值，如果檢測(cè)到邏輯測(cè)試條件發(fā)生“真到假”的變化，濾波器將繼續(xù)檢測(cè)相鄰的三個(gè)邏輯測(cè)試條件值，當(dāng)三次連續(xù)為“假”時(shí)，即可確定為過零時(shí)刻。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在實(shí)際應(yīng)用中，反電勢(shì)信號(hào)混有多種噪聲，經(jīng)過信號(hào)采集和閡值比較后，仍然存在噪聲的影響[6]，而且，該影響跟負(fù)載的大小成正比例關(guān)系，負(fù)載越大信噪比越低，產(chǎn)生虛假過零點(diǎn)的可能越大。在BLD—cM 1．5倍負(fù)載情況下測(cè)得的反電勢(shì)信號(hào)如圖4所示，在一個(gè)60。電角度周期內(nèi)可能會(huì)發(fā)生幾次上升或下降沿的改變，如果不經(jīng)過必要的處理必然會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的過零點(diǎn)信息，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)換相不準(zhǔn)確，甚至因失去位置信號(hào)而保護(hù)停轉(zhuǎn)。本文將擇多函數(shù)應(yīng)用于BLDcM的反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)，可以消除噪聲對(duì)反電勢(shì)信號(hào)的影響，尤其在負(fù)載條件下噪聲的影響，獲得正確的反電勢(shì)過零點(diǎn)，從而保證BIJl]cM的運(yùn)行平穩(wěn)、可靠。
我們將一個(gè)360 。電角度周期劃分成六個(gè)換相步，每個(gè)換相步為60 。電角度。表2是用擇多函數(shù)對(duì)120 。電角度到260 。電角度區(qū)間反電勢(shì)法噪聲信號(hào)進(jìn)行濾波計(jì)算的過程。限于篇幅，本文以4。電角度作為一個(gè)采樣間隔，在實(shí)際應(yīng)用中，可以適當(dāng)減小，采樣間隔，采樣間隔越小，判斷結(jié)果越精確。  從表2中可以看出，實(shí)際的換相并不都發(fā)生在精確的60。電角度的整數(shù)倍時(shí)刻，而是存在一定相移，相移的大小與過零點(diǎn)閾值有關(guān)[7]。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需采取適當(dāng)?shù)拇胧⿲?duì)其進(jìn)行適度補(bǔ)償，本文對(duì)此不予詳細(xì)說明。圖5是理想的反電勢(shì)信號(hào)和濾波后的反電勢(shì)信號(hào)，由圖5可以看出，使用擇多函數(shù)濾除了噪聲，消除了噪聲對(duì)反電勢(shì)信號(hào)的影響，使得過零點(diǎn)檢測(cè)準(zhǔn)確，保證了換相時(shí)刻的準(zhǔn)確性。
本文采用擇多函數(shù)對(duì)基于DsP的無位置傳感器BLDcM進(jìn)行控制。BLDcM參數(shù)為：額定電壓376 V，額定轉(zhuǎn)矩2 N·m，額定轉(zhuǎn)速8 800 r／min。圖6為實(shí)測(cè)的BLDcM在不同負(fù)載下的控制曲線。從圖中可以看出，電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)效率****，在2～3倍負(fù)載隋況下，雖然效率略有下降，但工作狀態(tài)依然較好，證明使用本文的方法可以在不同負(fù)載下獲得反電勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)，具有較好的實(shí)用性。  4結(jié)語
本文針對(duì)無位置傳感器BLDcM的反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)進(jìn)行了研究，采用擇多函數(shù)濾除反電勢(shì)信號(hào)擇中存在的噪聲，消除由其產(chǎn)生的虛假過零點(diǎn)，獲得正確的反電勢(shì)過零點(diǎn)信息，完成無位置傳感器BLDcM的準(zhǔn)確換相。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法可以在2～3倍負(fù)載情況下，有效濾除反電勢(shì)虛假過零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)的可靠、平穩(wěn)運(yùn)行。
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