摘 要：本文对DSP控制的无位置传感器无刷直流稀土永磁电机的工作原理和起动过程进行了研究，提出了一种实用的反电动势确定转子位置的方法，并给出了实际的位置检测电路。
关键词：BLDCM；转子位置检测电路
引言
无刷直流电机具有体积小、重量轻、维护方便、高效节能、易于控制等一系列优点。传统的无刷直流电机大多以霍尔元件或其他位置检测元件作为位置检测器，但是位置传感器难于安装，维修困难。且霍尔元件的温度特性不好，会使系统可靠性变差。在轻载起动的情况下无位置传感器无刷直流电机成为了理想的选择。
本文在研究空调压缩机用的三相无刷无位置传感器直流稀土永磁电机调速系统中，提出了一种实用的无位置传感器无刷直流电机外同步开环起动、内同步闭环稳定运行的方法。该方法已应用在4KVA空调压缩机电机控制器中。通过对额定状态(电源380VAC、转速3000rpm、转矩13.2NM)下电机运行数据测试,电机各项参数已达到设计要求。
三相无刷电机的控制框图
该直流无刷电机如图1所示。电动机的定子绕组做成三相对称星形接法。转子为稀土永磁体。电动机内部无位置传感器，采用转子位置检测电路检测转子位置。逆变桥及前级驱动由智能功率模块组成。控制器由DSP作为CPU，其功能是：接受电动机的信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接收速度指令和速度反馈信号。
由图1可以看出，主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频12KHz调制波的对称交变矩形波。永磁体N-S交替变换，使位置检测电路产生相位差120°的U、V、W方波，用来控制和调整转速。结合正/反转信号产生有效的六状态控制信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑控制后产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也即将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1~T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。
每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态。定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度的空间位置。转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新控制信号，新的控制信号又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度。如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。
起动过程的实现
电机的起动采用预定位、外同步以及电机的外同步向内同步切换三段式起动方式。下面给出具体的实现方法。
预定位过程
在电机起动时给电机一个确定的通电状态，使电机的定子合成磁势在空间上有一个确定的方向，然后把转子磁极拉到与定子合成磁势轴线重合的位置实现预定位。
外同步过程
本设计采用以下规律产生外同步信号：设电机的转速为n ,极对数为P，外同步信号的周期Ti由(1)式得到。
Ti= (1)
采用DSP内部的T1计数器下溢中断周期作为时间基准Tn，如图2所示。将Ti转换成Xn:
Ti=Tn×Xn (2)
由于电机运行在三相六状态，所以，电机每个状态导通时间speed为：
speed=Ti/6 (3)
将Xn作为定时器T1的定时时间常数，从DSP的PWM口输出六路三相外同步信号，依次控制D1到D6的导通和关断。由(1)式得出，随着Xn的逐渐减少，同时调节DSP输出PWM波形的占空比comp,电机转速逐渐升高，如图2(a)所示。而电机端电压随comp的值增加而增大，所以，可以得到很好的电机外同步过程。控制流程图如图2(b)所示。
外同步向内同步切换过程
在电机起动时，从DSP的PWM口产生外同步信号，使电机转速逐渐升高，当反电动势足够大，可以为检测电路检测时，就由DSP完成电机从外同步运行阶段向内同步运行阶段的切换。反电动势过零检测电路如图3所示。
电机的反电动势过零信号Va、外同步波形pwm1与实际的反电动势过零信号V1如图4所示，图中β为30°电角度。理论上，应该是在检测到反电动势过零信号Va的上升沿之后，延时30°电角度输出控制信号pwm1。然而在外同步向内同步切换的时刻，反电动势过零信号V1与外同步控制信号pwm1，如图4所示。这样在检测到V1的上升沿之后，再延时30°电角度才换相，必然使上一相的通电时间延长了30°电角度。因而导致切换时刻的大电流和电机失步现象，从而会使切换失败。所以，在程序设计中，采用以下的相位逼近法进行切换。通过DSP的CAPT捕获单元，捕获V1的上升沿和pwm1的上升沿，检测二者之间的相位差，直到接近30缃嵌仁保糯油馔较蚰谕角谢弧Ｕ庋梢允迪趾芷轿鹊那谢唬谢皇保缌骷负趺挥斜浠?
电机的闭环控制
当电机运行到内同步后，调节输出PWM波形的占空比使电机转速达到1800rpm后，就可以根据外部的速度给定单元进行闭环调速。调节电位器，通过DSP的A/D转换口进行电压值采样。0~5V对应转速1800~6000rpm。得到设定转速的线性表达式：
=
(4)
电机转速使用软件测定，如图2中，以T1溢出中断时间为基准，计算电机一转T1溢出中断的个数NUM1，将设定转速周期也转化成T1溢出中断个数NUM2，设定T1计数周期为T1PR,T1计数的频率为CPU时钟频率50ns,T1溢出中断周期为T1OFPR，则可以得到以下关系式：
×2×50 ns (5)
×
(6)
这样可以通过PI调节占空比来调节转速：
×
(7)
调节比例系数Kp，可得到较好的超调。另外，在闭环调速系统中，电机稳定运行的速度在1800~6000rpm，对应的反电动势的信号频率f为30~100Hz.。频率不同的反电动势信号经反电动势过零检测电路(如图3所示)的低通滤波后必定会产生不同的相移，从而导致换相导通角滞后。所以，必须进行适当的相位补偿，以使电机的输出转矩保持稳定。
从电路输入端输入正弦波信号IN1，频率为30~100Hz，比较输出波形V1和IN1之间的相位移，建立表格。根据表格，采用软件查表的方法进行相位补偿，这样可以取得很好的相位补偿效果。
结语
该4KVA空调压缩机用无位置传感器稀土永磁BLD