无位置传感器无刷直流电机开环起动的实现方法

第３２卷　第２期　Ｖｏ１．３２　ＮＯ．２　西南师范大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　２００７年４月　Ａｐｒ．　２００７　文章编号：１０００—５４７１（２００７）０２—０１２０—０４　无位置传感器无刷直流电机开环起动的实现方法　李天舒，　谢守勇，　刘　军，　西南大学工程技术学院，重庆４００７１６　官　平　摘要：针对具有梯形反电势波形的无位置传感器无刷直流电机（ＢＬＤＣＭ）的开环起动控制，提出一种基于ＡＴ　８９　Ｃ　２０５１芯片的软件实现方法．此种方法能有效的克服无位置传感器无刷直流电机在起动和低速运行时，由于反电势　过小而带来的运行困难．并通过实验验证了这种方法的可行性．　关键词：ＡＴ８９Ｃ２０５１；无位置传感器ＢＬＤＣＭ；反电动势　文献标识码：Ａ　中图分类号：ＴＭ３４５；ＴＭ３３　直流无刷电机是一种结合了直流电机和交流电机优点的改进型电机，其转子采用永磁材料励磁、体积　小、重量轻、结构简单、维护方便，且具有控制简便、高效节能等一系列优点，已广泛应用于仪器仪表和家　用电器等领域．国内外学者对其进行了多年研究，针对无刷直流电机起动问题提出了不少方案．如预定位　起动法　升频升压同步起动法、短时检测脉冲转子定位起动法等［１　］，但这些方案多偏重于硬件电路的设　计，至使控制系统中的硬件电路趋于复杂化，电机运行的稳定性和灵活性难以得到可靠的保证．　直流无刷电机转子位置检测方法可以划分为以下２种类型：（１）连续型位置检测，它对电机位置估算相　对准确，但计算复杂，不易于实现，大多用于伺服控制系统；（２）离散型位置检测，即只检测与换相位置有　关的特殊点（过零点和换相点），对于调速指标要求不　高的系统，多采用此种位置检测方法　ｊ．本文所提出　的方案是基于反电势过零点检测方法，利用　ＡＴ８９Ｃ２０５１快速的运算处理能力及它简单的外围硬　件控制电路，实现对无位置传感器直流无刷电机的开　环起动控制．　１软件开环起动策略　以具有梯形反电势波形的三相无位置传感器直流　无刷电机为例，系统采用二二导通、三相六状态的　ＰＷＭ调制方式，定子绕组采用星形连接方式．其系统结构框图如图１所示．　１．１　开环起动方式及其软件实现　图１　系统结构框图　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　Ｂｌｏｃｋ　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　Ｓｙｓｔｅｍ　在电机静止及低速运行时，电枢相应端电压及反电势为零或极低，无法检测出用以确定转子磁极的空　间位置，更无法使三相逆变桥实现反电势电流转换．由此利用开环起动技术（又被称为“三段式”起动技　收稿日期：２００６—０４—０２　作者简介：李天舒（１９７９一），女，辽宁本溪人，助教，主要从事智能检测与控制研究　通讯作者：谢守勇，副教授．　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２期　李天舒，等：无位置传感￣－７Ｌ，ｇ＇Ｊ直流电机开环起动的实现方法　１２１　术），采用软件方式实现对无刷直流电机的起动控制．首先由程序控制给预定两相定子绕组通电而另一相　断开，控制电流的大小使电机定子合成磁势轴线在空间有一确定方向，把转子转动到预定位置．然后按事　先设定的转子位置代码表（预设定６种模式），得出随后起动时需要通电的相序，由程序控制电压和换相时　间，导通相应的绕组使电机起动．待上一脉冲结束后，再次发出６个检测脉冲确定转子的位置，导通相应　的绕组并进行加速，待电机运行平稳后，再进行反电势检测，若检测不到反电势信号则继续加速，如此不　断重复检测一加速一检测一加速……直到电机转速达到可以稳定的检测反电势过零点时，转换成自同步方　式运行．在电机起动期间，程序不进行反电势过零点检测，　换相不受反电势检测信号的控制，换相时刻间隔由程序进行　延时控制．换相时间间隔根据电机具体参数算出电机最小反　电势周期数值进行合理选取，依据调试试验数据显示，当换　相时间间隔达到最小反电势的半个周期值时，电机即可成功　起动．　软件控制直流无刷电机具体实施方案：电机的Ｕ，Ｖ，　ｗ三相分别接６只ＭＯＳＦＥＴ开关管．可采用电机驱动厚膜　电路，它将６只ＭＯＳＦＥＴ开关管集成到一起．假设Ｕ相接　Ｑ　１与Ｑ　４；Ｖ相接Ｑ　２与Ｑ　５；Ｗ相接Ｑ　３与Ｑ　６．其中　Ｑ　１，Ｑ　２，Ｑ　３为上桥，Ｑ　４，Ｑ　５，Ｑ　６为下桥．导通顺序为　Ｑ　１　Ｑ　６一Ｑ　２　Ｑ　６一Ｑ　２　Ｑ　４一Ｑ　３　Ｑ　４一Ｑ　３　Ｑ　５一Ｑ　１　Ｑ　５．　图２　ＭＯＳＦＥＴ开关管与Ｐ　３端口接线图　Ｆｉｇ．２　ＭＯＳＦＥＴ　Ｓｗｉｔｃｈ　ａｎｄ　Ｐ　３　Ｐｏｒｔ　Ｗｉｒｉｎｇ　Ｄｉａｇｒａｍ　具体接法如图２所示．　各ＭＯＳＦＥＴ开关管的栅极（Ｇ极）与ＡＴ８９Ｃ２０５１单片　机的Ｐ　３端口相接．各端口对应真值表如表１所示．　表１　Ｐ　３端口对应真值表　Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄ　Ｔｒｕｔｈ　Ｔａｂｌｅ　ｏｆ　Ｐ　３　Ｐｏｒｔ　．　注：Ｑ　１～Ｑ　６为开关管，１为高电平，０为低电平．　控制无位置传感器无刷直流电机起动的软件流程图如图３所示．　１．２反电势过零点检测方法的程序实现　下面给出反电势检测电路原理图，如图４所示，其中Ｒ　１，Ｒ　２，Ｃ　１，Ｒ　３，Ｒ　４，Ｃ　２，Ｒ　５，Ｒ　６，Ｃ　３组成３　组分压和阻容滤波电路，经电压比较器，将过零信号输送到ＭＣＵ控制器，由程序软件对此信号进行修正　和处理，判断转子的速度和位置，决定换相的时刻及其对应导通的电枢绕组．　程序实现反电势过零点检测的具体方法：假定当前运行在ＭＯ模式下（即过零点处），当要进入下一预　定模式Ｍ１时，此时程序要获取ＭＯ时三相反电势状态数据及下一模式Ｍ１时三相反电势状态数据．理想　模式处理方法：（１）当ＭＯ模式快结束时，不断检测Ｍ１模式是否到来；（２）如检测到Ｍ１模式，也就是反电　势已过零点，从而得到位置信号；（３）在过零点后延时３０。电度角，进行ＭＯＳＦＥＴ开关管的电流转换；（４）　维普资讯 http://www.cqvip.com

１２２　西南师范大学学报（自然科学版）　第３２卷　在ＭＯＳＦＥＴ开关管转换后，在延时１５。电度角进行　下一模式Ｍ　２的反电势状态检测，依次向下检测从　而实现无刷直流电机的正确换相　］．但实际应用中因　硬件控制使电路检测到的反电势过零点产生相角位　移，导致位置检测不准确，因此就存在一个相角位移　修正的问题．根据Ｕ相反电势检测硬件电路原理图　可得：　Ｒ，　Ｒ１＋Ｒ２＋ｊ２，￣ｆＲ１Ｒ２Ｃ１　式中：厂为反电势运行频率．　相角位移ａ＝ａｒｃｔａｎ　由于反电势频率与电机转子角频率成正比，故　相角位移　与电机转速成正比，此时实际相角位移延　时角ｙ一９０。一　．根据不同的反电势运行频率预先计　算出相角位移延时角ｙ，在程序中利用查表的方式对　图３　无刷直流电机起动程序框图　Ｆｉｇ．３　ＢＬＤＣＭ　Ｓｔａｒｔ—ｕｐ　Ｐｒｏｇｒａｍ　Ｂｌｏｃｋ　Ｇｒａｐｈ　反电势过零点与换相点之间进行相位角的修正和　处理．　２　试验结果　本文试验控制的无位置传感器无刷直流电机，额定输出功率为２０　Ｗ，额定转速为３　０００　ｒ／ｍｉｎ，三相　六极．采用文中所述开环起动策略，实现了无位置传感器ＢＬＤＣＭ的起动．图５所示为无位置传感器直流　无刷电机平稳运行时由试验测得的定子三相绕组中其中两相的感应电势波形．　到ＭＣＵ入口　到ＭＣＵ入［ｊ　图５　直流无刷电机三相感应电势波形　图４反电势检测电路　Ｆｉｇ．４　Ｂａｃｋ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ　Ｆｏｒｃｅ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｆｉｇ．５　Ｗａｖｅ　Ｆｏｒｍｓ　ｏｆ　Ｔｈｒｅｅ—Ｐｈａｓｅ　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　Ｍｏｔｏｒ’Ｓ　ＥＭＦ　３　结束语　利用ＡＴ８９Ｃ２０５１的快速运算处理能力及它有效的简单片外硬件控制电路，依靠程序软件的设计，较　好的实现了无位置传感器无刷直流电机的开环起动控制，提高了系统的灵活性和稳定性，降低了控制电路　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２期　李天舒，等：无位置传感器无刷直流电机开环起动的实现方法　１２３　的设计成本．尽管这种起动方式实现起来比较简单、方便，但对换相时间间隔要求较严．当电机惯量不同　或带一定负载起动时，切换时间需要调整，否则可能造成电机起动失败或电机反转现象，因此一般适用于　电机空载起动．　参考文献：　［１］Ｔａｙ　Ｓ　Ｈ，Ｂａｓｕ　Ｋ　Ｐ，Ｓｕｂｂｉａｈ　Ｖ．Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　Ｍｏｔｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　ＰＥＣＯＮ，２００３，１６　（３）：１３３—１３８．　［２］吴筱辉，程小华，刘杰．反电势法检测转子位置的直流无刷系统起动方法［Ｊ］．中小型电机，２００５，３２（５）：６０～６３．　［３］羊彦，景占荣，陈文斌，等．无位置传感器直流无刷电机转子位置检测新方法的研究［Ｊ］．电气传动，２００４，２８（２）：　２Ｏ一２３．　［４］李强，林明耀，李海文，等．无传感器无刷直流电机控制系统及其起动分析［Ｊ］．微电机，２００３，３６（３）：３３—３５　Ａ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｂｌｄｃｍ　Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　Ｏｐｅｎ。－Ｌｏｏｐ　Ｓｔａｒｔ・。ｕｐ　ＬＩ　Ｔｉａｎ—ｓｈｕ，ＸＩＥ　Ｓｈｏｕ—ｙｏｎｇ，ＬＩＵ　Ｊ　ｕｎ，　ＧＵＡＮ　Ｐｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４００７　１６，Ｃｈｉｎａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ＡＴ８９Ｃ２０５　１　ｃｈｉｐ，ａ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ　ＢＥＭＦ　ＢＬＤＣＭ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｐｅｎ—ｌｏｏｐ　ｓｔａｒｔ—ｕｐ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｏｖｅｒｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｄｉｆｆｉ—　ｃｕｌｔｉｅｓ　ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｍａｌｌ　ｂａｃｋ　ＥＭＦ（ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ　ｆｏｒｃｅ）ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｎｏｎ—‘ｓｔａｒｔｅｒ　ａｎｄ　ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　ｂｒｕｓｈ—・　ｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｒｕｎｓ　ａｔ　ａ　ｌｏｗ　ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ａｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＡＴ｝￣９Ｃ２０５１；ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ；ｂａｃｋ　ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ　ｆｏｒｃｅ　责任编辑　陈绍兰