一種基于SPWM的無刷直流電動機(jī)驅(qū)動新方法
李穎，馬瑞卿，劉冠志，譚博（西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安710072）
摘要：方波驅(qū)動的無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動較大，而傳統(tǒng)正弦波驅(qū)動的無刷直流電動機(jī)雖然轉(zhuǎn)矩脈動小，但系統(tǒng)控制電路復(fù)雜，且需要高分辨率的轉(zhuǎn)子位置傳感器。針對具有Hall位置傳感器的正弦無刷直流電動機(jī)，提出了一種利用三相Hall位置信號，通過軟件算法生成六路正弦脈寬調(diào)制波來實現(xiàn)正弦波驅(qū)動無刷直流電動機(jī)的新方法。建模與仿真證明了該方法的在抑制轉(zhuǎn)矩脈動方面的有效性。
關(guān)鍵詞：正弦波驅(qū)動；無刷直流電動機(jī)；Hall位置信號；正弦脈寬調(diào)制
中圖分類號：TM36 +1；tT271+．4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-6848（2010】01-0042-04
0引 言
BLDCM的方波驅(qū)動以其相對簡單的控制電路、廉價的轉(zhuǎn)子位置傳感器，得到了廣泛應(yīng)用。然而，方波驅(qū)動BLDCM，電樞磁場含有豐富的諧波分量，轉(zhuǎn)子磁鋼切割諧波分量，容易引起較大的轉(zhuǎn)矩脈動。正弦波驅(qū)動BLDCM具有轉(zhuǎn)矩波動小、可聞噪聲低、運(yùn)行可靠等優(yōu)點。但傳統(tǒng)的正弦波驅(qū)動BLDCM需要高分辨率的轉(zhuǎn)子位置傳感器，如光學(xué)編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等，來檢測轉(zhuǎn)子位置。這些傳感器不但價格昂貴，而且安裝調(diào)試復(fù)雜[1]。因此，研究開發(fā)較為經(jīng)濟(jì)的BLDCM正弦波驅(qū)動技術(shù)值得關(guān)注，用合理可行的方法來取代價格不菲的
光學(xué)編碼器值得關(guān)注[2]。
針對具有Hall位置傳感器的正弦波BLDCM，提出了一種利用三相Hall位置信號提取正弦波的周期、幅值信與，并根據(jù)不規(guī)則采樣法數(shù)學(xué)模型，采用軟件查表與實時計算相結(jié)合的方法生成三相SPWM波，再利用一定的換相邏輯輸出六路SPWM信號，進(jìn)行BLDCM的正弦波驅(qū)動，可有效減小轉(zhuǎn)矩脈動，實現(xiàn)低成本平穩(wěn)運(yùn)行。
1 正弦波生成原理
正弦波驅(qū)動方法的工作原理如圖1。外部電位計用于期望轉(zhuǎn)速給定，通過單片機(jī)輸入捕獲通道的Hall位置信號實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置角度的區(qū)間檢測和轉(zhuǎn)速計算，再用生成的六路SPWM信號控制三相橋式逆變器六只功率管的通斷，進(jìn)而可驅(qū)動BLD-CM運(yùn)行于正弦狀態(tài)。
1.1正弦波周期、幅值、相位信號的計算
要實現(xiàn)正弦波驅(qū)動BLDCM，首先要提取正弦波的兩個關(guān)鍵信號：周期和幅值。由于BLDCM的相電壓與Hall位置信號同周期，因而正弦波周期信號可通過單片機(jī)測量輸入捕獲通道的A相Hall位置傳感器信號相鄰兩個上下跳變沿時刻，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到，如圖2所示。
由于 T= △t =t2 -t1 (1)式中，T正弦波周期的半值(s)；t1下跳變沿時刻(s)；t2上跳變沿時刻(s)。
按照公式(1)，可利用A相Hall位置信號對其半周期值進(jìn)行實時測量，為了保證計數(shù)器不會溢出，在每個T開始時需要將定時器清零。
由于正弦調(diào)制波幅值的改變可使得正弦調(diào)制波和三角載波的交點也相應(yīng)改變，從而使SPWM波的占空比改變，進(jìn)而改變了逆變器輸出電壓。因而用正弦波的幅值變量可設(shè)囂電機(jī)電流或轉(zhuǎn)矩的大小，而轉(zhuǎn)矩的變化對應(yīng)轉(zhuǎn)速的變化，因此，可以通過速度環(huán)對正弦波幅值進(jìn)行調(diào)控。
當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時，由電位計給定的轉(zhuǎn)速nref經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，將得到的有符號小數(shù)存放到于變量Reference - speed中。而測量轉(zhuǎn)速可以下式計算
獲得：
式中，fM為正弦波頻率(Hz)。
由此
式中，nM測量轉(zhuǎn)速(r/min)；p電機(jī)極對數(shù)。
用給定轉(zhuǎn)速nref的****值減擊測量轉(zhuǎn)速nM的****值可以得到轉(zhuǎn)速誤差error，該誤差值決定了電機(jī)應(yīng)該升速還是減速。當(dāng)error>0，正弦波幅值增大，SPWM波占空比增大，電機(jī)加速；當(dāng)error<0，正弦波幅值減小，SPWM波占空比減小，電機(jī)減速。
為了確保電機(jī)能夠平穩(wěn)運(yùn)行，需要將此誤差信號解析為比例、積分分量，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生一個合成輸出控制量，用于調(diào)節(jié)正弦波幅值，達(dá)到速度閉環(huán)控制時補(bǔ)償轉(zhuǎn)速誤差的目的[3]。
1.2當(dāng)前轉(zhuǎn)向的確定
是否為nM添加符號，取決于當(dāng)前的轉(zhuǎn)向要求。具有Hall位置傳感器的BLDCM，每60。電角度劃分為一個轉(zhuǎn)子區(qū)間，轉(zhuǎn)子區(qū)間是轉(zhuǎn)子的****位置。轉(zhuǎn)子區(qū)間計算模塊可通過檢測三路Hall位置信號來獲得轉(zhuǎn)子區(qū)間，如圖3所示。
當(dāng)前轉(zhuǎn)向的確定，可以通過對過去相鄰兩次轉(zhuǎn)子區(qū)間值進(jìn)行比較得到，如表1所示。
1.3轉(zhuǎn)子位置初始化
文中提出的正弦波驅(qū)動方法是根據(jù)Hall位置信號進(jìn)行計算并控割的，由于在電動機(jī)轉(zhuǎn)動之前，轉(zhuǎn)子位置是未知的，因而必須對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行初始化[4]。
在電機(jī)起動之初，Hall位置信號頻率很低，測量A相Hall周期的計數(shù)器可能出現(xiàn)溢出，引起轉(zhuǎn)速計算不準(zhǔn)確。另外，考慮到低速時電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼切割高次諧波磁場的速度也較低，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動引起轉(zhuǎn)子發(fā)熱并不嚴(yán)重，因此可以通過方波驅(qū)動方式起動電機(jī)。
與此同時，單片機(jī)不斷檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速（為了避免發(fā)生積分飽和，此時并不進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，SPWM信號無輸出）。當(dāng)檢測到errer≤given error(給定轉(zhuǎn)速誤差)時，利用邏輯處理單元封鎖方波信號的輸出，打開SPWM輸出通道，切換到正弦波驅(qū)動方式。從而解決了轉(zhuǎn)子位置初始化的問題，并使得電機(jī)能順利起動。
2 SPWM波的生成
2.1生成三相SPWM波
為了達(dá)到變頻變壓調(diào)速的目的，需要用按照正弦規(guī)律變化的脈寬調(diào)制波SPWM來控制逆變器的開關(guān)管工作。
為了使生成的SPWM信號正弦化程度較強(qiáng)，并考慮到電機(jī)控制的實時性要求。在載波比、正弦波幅值和周期已知的情況下，本文采用改進(jìn)后的不規(guī)則采樣型SPWM數(shù)學(xué)模型，根據(jù)式(4)、式(5)、式(6)（電機(jī)正轉(zhuǎn)時式中±取+，電機(jī)反轉(zhuǎn)時式中±取-）預(yù)先計算出A、B、C三相正半個正弦調(diào)制周期內(nèi)每個脈沖的占空比一。并將其制成三張表格存于單片機(jī)的存儲空間中，以備查用。
根據(jù)圖4中所示的SPWM不規(guī)則采樣原理有
式中，M為正弦波與三角波的幅值之比；N為正弦波與三角波的周期之比；σTAk為偶數(shù)為A相頂點采樣占空比，奇數(shù)時為A相底點采樣占空比；T為三角波周期(s)
將三張表中對應(yīng)的∥值乘以T。/2后分別裝入三個占空比寄存器，而將t酌值作為PWM周期寄存器的計數(shù)周翹，并將PWM時基配置為遞增／遞減計數(shù)模式。當(dāng)周期寄存器中的數(shù)大于等于三個占空比寄存器任一中的數(shù)時，對應(yīng)相輸出高電平。這樣就可以得到三相SPWM信號的輸出。
用占空比作為開關(guān)點進(jìn)行比較，在一定時，無需因為檢測到正弦波周期的變化而改變存儲表的值。但如果正弦波的幅值發(fā)生變化，則需要利用新的幅值信號根據(jù)公式(4)、式(5)、式(6)重新計算占空比，并刷新存儲空間中的表格。
2.2換相問題的解決
對于正弦波驅(qū)動，在任意一個轉(zhuǎn)子區(qū)間內(nèi)，三相逆變器的三相分別都有一管導(dǎo)通。為了實現(xiàn)三相定子繞組的相電壓為正弦波，當(dāng)三個占空比寄存器任一個取三張對應(yīng)表里的最后一個數(shù) 后，對應(yīng)相SPWM信號輸出切換到下管(當(dāng)前輸出給下管)或上管（當(dāng)前輸出給下管）。圖5針對三相逆變器的A相，對以上描述的換相過程進(jìn)行了說明。
這樣，三相逆變器的每一相上下管交替導(dǎo)通180度電度角，三相定子繞組的相電壓在逆變器對應(yīng)相上管導(dǎo)通時為正弦波的正半周期，而在逆變器對應(yīng)相下管導(dǎo)通時為正弦波的負(fù)半周期，從而實現(xiàn)了正弦波驅(qū)動，而且三相相電壓互差120。電度角。
3仿真模型及結(jié)果
3.1仿真模型
根據(jù)上述的正弦波驅(qū)動的過程，在典型正弦波BLDCM仿真模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合PWM生成模塊、控制模塊、三相全橋逆變器模塊，構(gòu)建了基于Mat-lab/simulink的正弦波驅(qū)動BLDCM系統(tǒng)的仿真模型如圖6所示。仿真分析選取的電機(jī)為2對極、額定功率200 W、額定電壓270 V、額定轉(zhuǎn)速7 500 r/min 的三相無刷直流電動機(jī)。
3.2仿真結(jié)果
針對BLDCM的方波起動到正弦波驅(qū)動的過程中電流、電壓變化和邏輯換相情況，以及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時正弦波驅(qū)動的電流、電壓情況，仿真結(jié)果如
由圖7(a)、圖7(b)所示的仿真結(jié)果可以看出，在0. 05 s處進(jìn)行了方波起動到正弦波驅(qū)動之間的切換。由于系統(tǒng)不斷通過Hall位置信號檢測轉(zhuǎn)子位置信息，因而切換瞬間電流、電壓都能夠平滑過度，實現(xiàn)了軟切換。同時，由圖7(c)可以看出，6只功率管由切換前方波起動時的120。導(dǎo)通，平滑過渡到正弦波驅(qū)動時每相上下管交替導(dǎo)通180。的換相邏輯。由于在上下管換相時插入了2μs的死區(qū)時間，有效避免了上下管直通。
在切換后達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，由圖7(d)所示的電流、電壓穩(wěn)態(tài)波形反應(yīng)出采用不規(guī)則采樣法正弦化程度較好的特點。通過與切換前方波驅(qū)動的電流波形相比較可以發(fā)現(xiàn)，正弦波驅(qū)動時，電流的尖峰和毛刺較少，因而使得轉(zhuǎn)矩脈動得到了抑制。
4結(jié)論
理論分析與仿真表明：文中介紹的正弦波驅(qū)動方法在不需要高分辨率轉(zhuǎn)子位置傳感器的情況下，仍可有效地解決BLDCM的轉(zhuǎn)矩波動問題。因而適用于一些對價格要求低，控制精度要求不十分高的高速、大功率BLDCM驅(qū)動場舍。
這種方法突破了正弦波驅(qū)動的價格局限，使性能優(yōu)異的正弦波驅(qū)動方式能夠在更廣闊的空間發(fā)展應(yīng)用，因而具有一定的工程應(yīng)用價值。
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