擇多函數在無刷直流電動機控制中的應用
張淑艷，王行愚，姚曉東
(華東理工大學，上海200237)
摘要：轉子位置信息的獲得是無位置傳感器無刷直流電動機控制的關鍵技術，一般采用基于位置檢測電路的反電勢檢測法，而擇多函數法省掉了位置檢測電路，運用反電勢信號及邏輯運算關系判定測試條件“真”到“假”的變化，消除噪聲對反電勢信號的影響，獲得正確的反電勢過零點。該方法在基于DSP的無位置傳感器無刷直流電動機控制平臺上進行實驗驗證，實測數據證明該方法可以在2～3倍負載條件下有效濾除反電勢虛假過零點，獲得準確的反電勢過零點，性能可靠，靈活性和實用性較高。
關鍵詞：擇多函數；反電勢過零點檢測；虛假過零點；無位置傳感器；無刷直流電動機；濾波
中國分類號：TEM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)01—0045—03
0引 言
傳統的無刷直流電動機獲取轉子位置信息的方法是采用電子式或機電式位置傳感器直接測量[1]。由于大部分傳感器的分辨率較低，運行特性不好，對環境條件很敏感，使得整個傳動系統的可靠性和精確性難以得到保證，而且傳感器還大大增加了電氣連接線數目，給抗干擾設計帶來一定困難。在精確的位置伺服系統中由于空間有限，無法安裝傳感器，因此無位置傳感器無刷直流電動機成為理想的選擇，并具有廣泛的發展前景。
在無位置傳感器無刷直流電動機(以下簡稱BLDcM)控制中，轉子位置信息的獲得是關鍵技術。目前應用的方法有反電勢法、三次諧波法、電感檢測法、卡爾曼法、狀態觀測器法、G(Θ)法和智能化控制方法[2]，其中反電勢檢測法是BLDCM控制中應用最多、最成熟的方法，該方法的核心是準確獲得反電勢過零點[3]。在實際應用中，反電勢并不是理想的梯形波，存在由PwM調制產生的干擾，繞組斷電產生的干擾等[4]。因此，一般反電動勢信號都要經過分壓電路、模擬濾波電路和電壓比較電路以及鎖相環電路后，送人控制單元，這樣獲得的反電動勢過零點必然存在一定的延時，造成換相時刻不準確，必須相移補償環節來解決這個問題，給控制帶來難度。
本文采用擇多函數代替位置檢測電路來實現反電動勢過零點檢測，該方法不需要復雜的濾波、比較電路，方便實現，靈活性高，而且可以有效去除反電勢檢測中的虛假過零點，獲得準確的反電動勢過零點，完成對元刷直流電動機的平穩控制。本文將該方法應用于BLDCM的控制，實驗測得額定電壓、不同負載條件下的BILDCM轉速和控制效率。實驗結果表明，該方法的適用范圍廣，可以在BLDcM的2～3倍負載情況下去除反電勢中的虛假過零點，保證BLDcM運行平穩。
1反電勢檢測法概述
反電勢法的基本原理就是在忽略永磁無刷直流電動機電樞反應影響的前提下，通過檢測“斷開相”的反電勢過零點，來依次得到轉子的六個關鍵位置信號，并以此作為參考依據，輪流觸發導通六個功率管，驅動電動機運轉[1]。
本文以電樞繞組采用星形接法的“三相六拍-120。方波型”驅動的無刷直流電動機為例來說明反電勢檢測方法的原理。圖l是元刷直流電動機的原理圖和等效電路圖，圖2是三相繞組的反電勢信號和轉子位置的對應關系，圖3是各功率管的導通時序。通過以上各圖我們可以看到在逆變器供電的任何一瞬間，總有一相其上下橋臂均處于斷開狀態，即電動機該相繞組是懸空的，故該相繞組的相電壓等于該相繞組所產生的反電勢。檢測這一反電勢的過零點時間，并作適當延遲，即可得到功率器件正確觸發時刻。
可以看出，反電勢檢測法的關鍵是反電勢過零點的檢測，如果獲得了準確的反電勢過零點，那么就可以控制無位置傳感器BLDcM。本文詳細討論擇多函數在無位置傳感器BLDCM反電勢過零點檢測中的應用方法。
2擇多函數在無位置傳感器BLDcM反電勢過零點檢測中的應用
2．1擇多函數概述
擇多函數是一種布爾函數，用作一種非線性數字濾波器，它取n個二進制數作為輸入并返回這些數中出現次數最多的那個數[5]。擇多函數的布爾表示法為：
式中：Majority為擇多函數的輸出；^為與邏輯運算符；V為或邏輯運算符。
2．2擇多函數在反電勢過零點檢測中的應用
基于擇多函數的無位置傳感器BLDcM反電勢過零點檢測方法的步驟如下：
(1)通過DsP的ADC口對反電勢進行采樣，采樣頻率同PWM調制頻率；
(2)利用“與”和“異或”兩個邏輯運算符將當前反電動勢信號的狀態保存下來，其中，“與”運算符用來檢測與當前換相狀態對應的反電勢信號，“異或”(xOR)運算符用來檢測當前反電勢信號的上升或下降沿。
(3)構造一個包含6樣本窗口反電勢各種可能情況的數組，大小為2。，該數組的構造方法如下：
N是數組的下標，數組值代表一個指向隨時間變化的下一個信號狀態的指針。當選擇最重要樣本中“1”的出現機會至少大于百分之50，而次要樣本中“0”的出現機會至少大于百分之50，即一個下降沿產生時，把該數組值定義為“1”，表示邏輯測試條件發生“真到假”的變化。根據上述規則，表1給出了數組的定義。
(4)濾波器不斷查詢邏輯測試條件的值，如果檢測到邏輯測試條件發生“真到假”的變化，濾波器將繼續檢測相鄰的三個邏輯測試條件值，當三次連續為“假”時，即可確定為過零時刻。
3實驗結果
在實際應用中，反電勢信號混有多種噪聲，經過信號采集和閾值比較后，仍然存在噪聲的影響[6]，而且，該影響跟負載的大小成正比例關系，負載越大信噪比越低，產生虛假過零點的可能越大。在BLD-cM l.5倍負載情況下測得的反電勢信號如圖4所示，在一個60。電角度周期內可能會發生幾次上升或下降沿的改變，如果不經過必要的處理必然會產生錯誤的過零點信息，導致電動機換相不準確，甚至因失去位置信號而保護停轉。本文將擇多函數應用于BLDcM的反電勢過零點檢測，可以消除噪聲對反電勢信號的影響，尤其在負載條件下噪聲的影響，獲得正確的反電勢過零點，從而保證BLDcM的運行平穩、可靠。
我們將一個360。電角度周期劃分成六個換相步，每個換相步為60。電角度。表2是用擇多函數對120。電角度到260。電角度區間反電勢法噪聲信號進行濾波計算的過程。限于篇幅，本文以4。電角度作為一個采樣間隔，在實際應用中，可以適當減小，采樣間隔，采樣間隔越小，判斷結果越精確。
從表2中可以看出，實際的換相并不都發生在精確的60。電角度的整數倍時刻，而是存在一定相移，相移的大小與過零點閡值有關[7]。在實際應用時，還需采取適當的措施對其進行適度補償，本文對此不予詳細說明。圖5是理想的反電勢信號和濾波后的反電勢信號，由圖5可以看出，使用擇多函數濾除了噪聲，消除了噪聲對反電勢信號的影響，使得過零點檢測準確，保證了換相時刻的準確性。
本文采用擇多函數對基于DsP的無位置傳感器BLDcM進行控制。BLDCM參數為：額定電壓376 v，額定轉矩2 N·m，額定轉速8 800 r／min。圖6為實測的BLDCM在不同負載下的控制曲線。從圖中可以看出，電動機在額定負載時效率****，在2～3倍負載情況下，雖然效率略有下降，但工作狀態依然較好，證明使用本文的方法可以在不同負載下獲得反電勢過零點信號，具有較好的實用性。
4結語
本文針對無位置傳感器BLDcM的反電勢過零點檢測進行了研究，采用擇多函數濾除反電勢信號中存在的噪聲，消除由其產生的虛假過零點，獲得正確的反電勢過零點信息，完成無位置傳感器BLDcM的準確換相。實驗結果證明，該方法可以在2～3倍負載情況下，有效濾除反電勢虛假過零點，實現無位置傳感器無刷直流電動機的可靠、平穩運行。
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