1 概述

      直流電動機(jī)以其優(yōu)秀的線形機(jī)械特性,、較寬的調(diào)速范圍、大的啟動轉(zhuǎn)矩,、控制方法較簡單等優(yōu)點(diǎn),，在各種驅(qū)動、伺服系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用[1],，但傳統(tǒng)的直流電機(jī)中的電刷和換向器由于直接接觸,、摩擦造成的磨損、火花,、噪聲等是一個不可忽視的問題,。永磁無刷直流電機(jī)（PMBLDCM，以下直接簡稱為BLDCM）利用電子換向替代了機(jī)械換向,，沒有磨損,、火花,，噪聲大大減小，目前有著大量的應(yīng)用,，但如何實(shí)現(xiàn)最低成本的最優(yōu)化控制,，迄今為止尚無完美的解決方案。本文給出了較之大部分控制方法成本更加低廉,、結(jié)構(gòu)更加簡單的解決方案,，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

      對于無刷直流電機(jī),，控制方法的核心是要獲得電機(jī)位置或速度的實(shí)時信息,。目前獲得位置、速度信息的方法主要有兩種：1.依靠霍耳元件或者碼盤來獲得位置,、速度信號[2],，這種方法比較直觀簡單,，但是存在如下問題：增加了器件成本,，在無法加裝傳感器的時候無效；2.無傳感器(Sensorless)方法,，即不加裝傳感器,，目前主要有反電動勢過零檢測法[3][4]、三次諧波分析法[5],、Kalman預(yù)測法[6],，而這幾類方法大都局限于反電動勢為梯形的BLDCM，而且有的需要加裝特別的外部電路[3][4],，在一些場合下無法實(shí)現(xiàn),；有的算法復(fù)雜，會造成較大的實(shí)時誤差[6],，也不是很實(shí)用,。目前一些公司如NEC，Renesas已經(jīng)開發(fā)出了針對正弦反電動勢BLDCM的無傳感器的控制芯片,，但是價格貴,，調(diào)試繁瑣，升級不方便是很大的問題,。本文給出了一種新的針對正弦反電動勢電機(jī)的控制方法,，控制采用了TI公司DSP芯片（TMS320LF2407A），核心代碼完全用C語言開發(fā),，便于調(diào)試,、升級，同時實(shí)現(xiàn)了很好的啟動和調(diào)速功能,，并對整個電路進(jìn)行了最大的簡化,，無需加裝特別的采樣電路,，利用系統(tǒng)中的電路保護(hù)電阻完成對電流的采樣。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜述

      參考圖1,，本系統(tǒng)中通過單電流采樣,，在DSP中實(shí)現(xiàn)電流鑒別算法和濾波算法，得到對應(yīng)的三相電流,，通過速度位置估算算法計算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置和速度,，然后利用PI反饋算法生成新的PWM作用于電機(jī)之上，完成一個控制流程,。這樣循環(huán)往復(fù),，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)從啟動到正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及調(diào)速的功能，下面將分別闡述各部分的原理與實(shí)現(xiàn),。

圖1 BLDC控制系統(tǒng)示意圖

3 單電流采樣的實(shí)現(xiàn)

      如圖2所示,，電機(jī)的驅(qū)動采用了七段式的空間矢量法(SVPWM，Space Vector PWM),，利用六個依次相差60度的基本矢量和全0矢量（與全1矢量等效）,，根據(jù)不同的作用時間合成按給定轉(zhuǎn)速作圓周轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)矢量。

圖2 SVPWM波形生成及單電流采樣示意圖

      從上圖中我們可以看出,，一個SVPWM周期可以劃分成七個小的時間段（此即七段法名稱的由來）,，不同的時間段對應(yīng)不同的開關(guān)管控制電壓，不同的控制電壓造成了逆變電路中功率開關(guān)管不同的通斷狀態(tài),，而不同的通斷狀態(tài)則對應(yīng)著不同的電流流向,，因此只要我們知道了當(dāng)前的電流流向狀態(tài)，就可以從兩次不同時間的采樣電流（分別對應(yīng)若干電流之和）中提取出需要的電流,。以第0扇區(qū)為例（如圖2右側(cè)所示）,，在第一次電流采樣中得到了Iu，第二次得到了(Iu+Iv),，由于在很短的時間內(nèi),，電流不會發(fā)生突變，這樣就可以根據(jù)(Iu+Iv+Iw=0)推算出三相電流,，完成了單電流采樣(One-shunt current detection),。

      這一算法簡潔明了，但也存在著一定的問題：第一,，在采樣的過程中往往會引入較多的噪聲,，需要進(jìn)行濾波；第二,，存在扇區(qū)邊界切換問題,，我們從圖2中可以看出，在旋轉(zhuǎn)矢量跨越邊界的時候，由于某一基本矢量作用時間太短會導(dǎo)致采樣無法完成,，這個時候,，可以通過限制作用時間最小值來保證采樣過程正常進(jìn)行，但這樣必然會使生成的正弦波發(fā)生畸變,，我們通過簡單的濾波（例如限制兩次電流采樣值的差異幅值,，根據(jù)歷史值修正新值等）去掉畸變點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)很好的效果,。

      實(shí)際采樣以及濾波處理結(jié)果如下（圖3）,，從圖中可以看出通過濾波達(dá)到了很好的電流檢測效果，完全可以滿足進(jìn)一步的控制需求,。

  
圖3單電流采樣電流結(jié)果(未濾波與濾波后的比較)

4 無位置,、速度傳感器下電機(jī)控制方法詳述

      這里將從電機(jī)的初始化啟動、正常運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)速三個方面敘述電機(jī)控制的全過程,，并給出電機(jī)控制算法的流程圖,，讓讀者更能夠從整體上了解這一控制方法。

      啟動過程：由于整個系統(tǒng)沒有傳感器以獲得電機(jī)的實(shí)際位置,，如果從任意位置啟動,，可能會造成電機(jī)反轉(zhuǎn)甚至啟動完全失敗，因此需要對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行初始化,，即把后面控制算法中涉及到的轉(zhuǎn)子角度的初始值清零,。我們采用的初始化方法是生成一個固定的PWM脈沖序列,，該序列的特點(diǎn)是只作用于在某一相,，最后將電機(jī)鎖定于某一磁極，達(dá)到了初始化的目的,。

      正常運(yùn)轉(zhuǎn)：目前我們采用TI公司的TMS320LF2407A作為控制的DSP,，該DSP本身具備PWM 控制寄存器，通過較簡單的程序就能完成前面所述的七段法SVPWM波的輸出,。
整體控制算法流程如圖4所示：

圖4控制算法流程

      電機(jī)通過單電流采樣得到兩個采樣電流值,，通過電流識別方法，計算出三相電流,，利用Clarke和Park變換將電流映射到d,、q坐標(biāo)系下，估算出角度和速度值,，通過結(jié)合了積分分離的PI控制算法,，完成對電機(jī)的反饋控制，然后經(jīng)過Park逆變換,，控制生成了新的SVPWM波,，完成一次循環(huán)。這里用到的位置,、速度估算函數(shù)由于篇幅所限,，將另做描述,。

      調(diào)速的方法：在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)需要調(diào)整轉(zhuǎn)速時,，我們采用分段加減速的方法,，將給定目標(biāo)速度和電機(jī)當(dāng)前速度之間分成若干小段，逐級進(jìn)行調(diào)速,，從而達(dá)到很穩(wěn)定的調(diào)速效果,。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及進(jìn)一步的工作

      目前我們已經(jīng)在一臺92BL(1)C50-15H的BLDC上實(shí)驗(yàn)成功了上述控制算法，完成了從啟動到正常運(yùn)轉(zhuǎn),、加減速,、拖動負(fù)載的全部工作，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),，噪聲小,，輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定。我們測試了雙電流采樣和單電流采樣的方法,，均達(dá)到了理想的效果,。目前正在進(jìn)行將控制方法移植到空調(diào)壓縮機(jī)上的嘗試，已取得初步成功,，下一步將改進(jìn)算法,，增加諧波補(bǔ)償功能，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn),，測試對更多種型號電機(jī)的控制,，并考慮進(jìn)行工業(yè)上的應(yīng)用。

      本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用電機(jī)保護(hù)電路電阻作為唯一的電流采樣電阻,，結(jié)合單電流采樣鑒別算法得出三相電流,，實(shí)現(xiàn)了對反電動勢為正弦波的BLDC的無傳感器控制。