一种无位置传感器BLDC 零启动的纯硬件实现方法

University
Hα ngzhou
310027 , China)
Abstract: On the base of existing motors and controllers , products upgrading with low risk and low cost was considered. Based on the principle of back electromotive force zero-crossing testing in sensorless brushless direct current (DC) motor , the relationship between the floating phase terminal end voltage and midpoint voltage in DC link of three phases' back electromotive force was analyzed. A method for zero start-up of sensorless brushless direct current (BLDC) motor which can totally replace three position sen sors was proposed. The proposed method improves the original sensorless control strategies which have disadvantages of time complexity , high cost being unstable , and 30 software time delay. Theoretical analy
式中 :U a 为绕组相电压 ;Ra 为绕组相电阻; l a 、川、 lc 为 A 、 B 、 C 三相相电流 ;L 为绕组相自感 ;M 为绕组
相互感 ;ε 为绕组反电势.如果 A 相悬空，则 A 相绕 组中 la 二 0 ，因此式(1)中第一项定子绕组电压、第二
法解决低速或启动状态下电机转子的定位，启动需
降低了电机轴的可靠性以及引线间的抗干扰性; 3) 在某些对电机体积要求严格的场合，位置传感器因
不符合整机要求而无法安装. 基于上述原因，近年来国内外开展了对无刷无
」生
|占-Jt-L一
位置传感直流电机控制策略的研究 [2 飞已成为电机
控制领域研究的热点与难点，但利用无传感器控制
策略实现电机低速运转或零启动仍不理想[4-5J 无位 置传感器直流无刷电机的控制思想主要体现在:摒
跟踪的转子空间位置检测方法准确地观测出了转子
(3)
的空间位置和速度，但存在高速 DSP 运算处理负荷
过重以及低速位置的检测误差.
式中:工表示悬空相 ， U nG 为中性点对地电压. 由式 (3) 可知:当 E 二 0 时 ， U xG
二
U nG . 此时刻即
本文提出了一种基于反电动势过零检测原理实 现零启动的纯硬件方法.系统采用纯硬件电路设计，
0
0
反电势
60 电角度，相当于实现了 30 的时延，从而解决了软
0
0
件时延计算运算负荷过重、系统可靠性差的缺点.
2
2. 1
硬件系统设计
系统分析
o
图 3
60
120
180
θ/ 。
240
300
360
反电势、换相逻辑对比 i皮形
硬件系统接法如图 2 所示，基于反电势过零法
Fig. 3
Comparative waveforms between back electromo tive force and switching phase logic signal
(LM339 比较器)得出的方波信号即为模拟电机换 相信号.其设计核心在于，采用转子位置检测模块未 完全取代 3 路霍尔传感器信号，因此需要准确模拟
Pure hardware method for zero start-up of sensorless brushless direct current motor
LIN
(Iη stitute
Xiao ,
PAN
Shuang-xia ,
HU
,
Xiao-ha且g
01
MechωllCα l Desigη ， Zhejiαηg
不高、 30 。软件时延的缺点.经理论分析和大量实验验证，输出的模拟换相逻辑信号与原系统中霍尔信号相一致，零 启动具有大扭矩、无抖动、平滑、提速快的特性，可以完全取代霍尔传感器. 关键词:无刷直流电机 (BLDC) ;无位置传感器;反电动势;过零检测
中图分类号: TM33
文献标识码:^
文章编号:
1008 - 973X(2008)09 - 1591 - 06
1593
同理可得 B 相和 C 相反电势过零点方程为
V
「 UbG f(U后 +U而)
「 UCG
f(UaAJ
基于上述原理，可以将悬空相绕组端电压与中性点 电压进行比较以获取绕组的反电势过零时刻.
本方法中反电势过零检测法主要难点如下: 1)在启动阶段以及低速运行阶段，由于电机产
生的反电势为零或很小，硬件检测电路无法正常工
电压.采用 A 相相电压为例，其数学表达式为
U a 二 iaRa+L ~:a+M ~:o+M ~，~C+ε
di 二
di h
,
_ _
di 二
dt
，..~
dt
，..~
dt
(1)
Mukherjee 等人 [7J 基于反电动势过零检测的原 理提出了无传感器控制的新策略，利用硬件电路获 得换相信号，运算要求低、戚本低廉、运行可靠，但无
一种无位置传感器 BLDC 零启动的纯硬件实现方法
林潇，潘双夏，胡晓杭
(浙江大学机械设汁研究所，浙江杭州 310027)
摘
要:为了在现有电机和控制器等产品的基础上实现低风险及低成本的产品升级换代，基于无刷无位置传感直
流电机反电动势过零检测的原理，分析了三相反电动势端电压与中性点的关系，提出了一种可完全替换 3 路霍尔 传感器的无刷无位置传感电机零启动的纯硬件方法，弥补了传统无传感控制策略运算要求高、成本提升大、可靠性
0
sis and experimental results show that the proposed method can achieve the same simulative logic signal of switching phase as the original position signal; especially under the condition of zero start-up , it has the characteristics of great torque , smoothness and good acceleratio日， and it is a good substitute for position senso r. Key words: brushless DC motor; sensorless; back electromotive force; zero-crossing point testing
Ua 二 ea
(2)
过零点，运算负荷轻、位置和转速解调控制，但其需
要 60 0 的时延，无法用纯硬件方法实现;韦鲤等人 [10J
即绕组的相电压等于反电势，因此可以用相电压近
似代替反电势.因大部分永酷同步电机都没有中性
点引出线，故无法直接测量相电压.在实际操作中， 往往采用测量端电压的方法，即在相电压的基础上
的原理，采集的 3 路端电压信号首先经过深度 RC 滤波电路进行 90 时延，然后通过低通滤波滤除高
0
高效地工作有重大的影响. 由于三相端电压(或者说反电势)的频率在启 动、低速、中速、高速等电机运转状态下在很大范围
内变化，采用硬件方法 RC 深度滤波电路实现的 90
0 0
频畸变信号等干扰信号，然后与虚拟中性点比较
动、零启动等一系列优良特性，但同时也带入了诸多
收稿日期:
2007 - 05 - 12.
浙江大学学报(工学版)网址
/eng
基金项目.浙江省重大科技攻关资助项目 (NO.200 日 Cll148)
作者简介中"潇 0982-) ，男，浙江台州人，博士生，从事动力系统参数匹配与控制策略研究.
采用三次谐波法检测转子位置，无需深度滤波，从理
论上验证了实现零启动的可能性，但该方法运算要 求高，并且在转速低于一定值时，三次谐波严重畸变，
无法正确识别转子位置;如j 毅等人 [1 1-1 2J 基于转子凸极
加上中性点对地的电压得到间接量端电压.由上述 分析可得悬空相绕组电压为
U xG 二 Ux+U nG 二 ex+U nG .
」τ
图 1 单绕组相等效电路
0口e
Fig. 1
Equivalent circuit of
single phase
弃位置传感器，利用电机的物理特性未获取换向信
号.主要有反电动势过零检测方法、反电动势三次谐 波积分检测法、续流二极管检测法、醋链估计法、扩
展卡尔曼滤波法等 [6J
图 1 中 ， X 可替换为 A 、 B 、 C 任意相 ， Lx 为相电感， Rx 为相电阻 ， e x 为相反电势 ， lx 为相电流 ， U x 为相
是悬空相绕组反电势过零点的时刻.由式 (3) 可知
(以 A 相为例)
U bG 二 eb +U nG ， U cG 二 ec+U nG .
没有采用 DSP 芯片采集处理信号，因而响应时间 短，运算负荷低，具有低成本、高可靠性、零启动、 90
硬件时延等特点.
0
将上两式相加，得
UbG+U cG 二 eb+ e c+2U 而 (4)
器的损坏造成的 ;2) 电机轴引出线由 3 根电机线，外
相端点电位与中性点电位相等时，即为该未导通相的 反电动势过零点，再过 30 电角度时延进行电子换
0
加 3 根位置信号线以及电源线、地线共 8 根线所组 成，额外增加了 5 根引出线，使轴的内径增大，因而
相 [13J 永酷同步电机任意一相等效电路如图 1 所示.
E-mail:
linxiቤተ መጻሕፍቲ ባይዱo12@1 日 3.
com
通讯联系人.潜双夏，男，教授.
E-mail: psxx@
1592
浙江大学学报(工学版)
第 42 卷
的缺陷:1)增加了电机内部结构复杂度，使得维护和
通，通过测量三相绕组端子及中性点的电位，当另一
制造成本上升， 90% 的电机故障都是由于位置传感
:亏
J
作.本方法中采用"三段式"启动方法，包括转子强制
定位、外同步加速、内同步运转.
2) 采用 RC 深度滤波电路实现对三路反电动势
Fig.2
图 2
硬件系统连接图
Schematic of hardware system
A
信号的 90 时延，因三相六拍星型接法的无刷电机 每 60 电角度要进行换相，其等效于将换相点滞后
式中 :eb+ec 二 0 ，所以
1
反电动势过零检测
三相六拍星型接法的无刷电机，反电动势过零
U nG 二 ;(UM+UcG)
将式。)代入式 (3) ，得
(5)
检测法基本原理为:每相绕组单周期正反相分别导 通 120 ，并且在任何时刻三相中只有两相同时导
0
e a 二 UaG f(UJU川
第 9 期
林潇，等:一种无位置传感器 BLDC 零启动的纯硬件实现方法
直流无刷电机利用电子开关装置取代传统有刷 电机的机械换向，避免了炭刷机械换向带来的换向
通常直流无刷电机在电机内部安装霍尔传感器 或其他类型的位置传感器未获取转子位置信息，以
火花、噪声，具备了良好的调速特性、动态性能，并且 体积小、结构简单、功率密度高，因而应用越来
越广泛 [lJ
此来确定电子开关的换向点.位置传感器的引入能 使得无刷电机换向精准，从而实现电机扭矩大、无抖
借助位置编码器实现;邹继斌等人 [8J 提出了单一霍 尔位置检测的方法，减少了电机中霍尔传感器的数 目，但只适合于稳速系统，应用受到限制;夏长亮等 人 [9J 采用扰动观测器检测无刷直流电机的反电动势
项电流变化引起的自感电动势都为零.第三、第四项
为互感电势，此时 lb 二 仁，因而这两项互感电势相
互抵消.最终电压平衡方程式(1)可化简为
第 42 卷第 9 期 2008 年 9 月
浙江大学学报(工学版) Journal of Zhejiang University{Engineering Scie口ce)
iss 口.
Vo l. 42 No. 9 Sep. 2008
DOI: 10. 3785/j.
1008-973X. 2008. 09. 023