防爆晓机 (EXPLOSION-PRooF ELEcTRIc MAcHINE) 第45 鬻期) 无位置传感器无刷直流 电机 的起动控制原理 与研究 孟光伟 ，李槐树 ，熊 浩 海军工程大学电气工程系，湖北武／~(430033) 摘 要 分析无刷直流 电机的电磁转矩和起动控制 ，针对无位置传感器 的永磁无 刷直 流电机 的起动控制 ，提 出了具有升频和 电流调节控制的无位置传感器 BLDCM的起动控制 ，其 中电流调节 控制采用两点式比较器控制 。该起动控 制方 法不但有能效 控制起动 电流大小 ，而且 改善了 BLD— CM开环起动性能 ，提高了系统的可靠性 。仿真结果验证 了该起动控制方法 的有效性 。 关键词 无刷直流 电机 ；电流 ；起动 ；控制 中图分类号 TM301．2 TM33 文献标识码 A 文章编号 1008-7281(2010)02-0020-04 Principle and Research on Start-up Control of Sensorless BLDCM Meng Guangwei，Li Huaishu，and Xiong Hao Abstract The electromagnetic torque and start—up control of brushless DC motors are analyzed．For the start—up control problem ，a control method based on increasing fre— quency and eurrent control is proposed to deal with it。and the current adjustable control applies the two-point comparison device．，rIlis method can not only control size of the start— ing current efficiently but also improve open—loop starting performance of BLDCM ，SO im— prove the reliability of the system．The simulation results proves that this method is effec— tire． Key words Bm shless DC motor；current；start-up；control 0 引言 对于有位置传感器的梯形波永磁无刷直流电 机来说 ，顺利起动是不存在什么问题的。但对于 利用反电势进行位置检测的无位置传感器无刷直 流电机的起动来说，由于静止 以及低速时很难检 转子定位起动法 ，比较适合于凸极式电机。 综合上述开环起动方法 ，无论是三段式起动 和还是升频升压起动，都是通过逐渐调节电压来 间接控制电流，起动电流波动大，而且电机转速的 波动程度随着转动惯量和外施 电压大小而不同， 起动过程参数整定困难 ，起动洼能差。 测到反电势信号 ，从而使得电机怎样顺利起动成 为有效限制起动 电流 ，改善起动『生能 ，避免起 了重要 问题 。 目前一般 采用 的方法是 先他控 同步 式起动 ，使 电机加速到反 电势可以被检测到的速 动过程 的 不 确 定性 问 题 ，本 文 在 对 BLDCM 电磁 转矩 的分析 研 究基 础上 ，提 出 了基 于 升 频和 电流 度 ，然后再利用反电势检测法切换 到自控同步方 调节控 制的 BLDCM开环 起动 控制 。 式 。 文献 [1]。[6]采用三段式起动方法 ，即首先 给任意的两相定子绕组通 电一定时间 ，转子将被 定位在相应的位置上 ，然后离线给出频率逐渐增 高的换相信号 ，电机将被加速 ，当电机到达一定转 速后切换至自同步运行。文献[7]采用预定位方 式起动 ，省去了变频升速过程 ，但对切换时间要求 严格 。文献 [8]、文献 [9]分别用硬、软件实现升 频升压起动 。文献 [10]提出了控制相 电流与起 动曲线相对应的起动方法，适用于固定负载的场 合。文献[11]．[13]采用他控恒频进行开环起动 控 制 。文献 [14]、文献 [15]描 述 了短 时检 测脉 冲 20 1 BLDCM 的 电磁 转 矩 由于无刷直流 电动机的气隙磁场、反 电动势 以及电流是非正弦的，采用直、交轴坐标变换 已不 是有效的分析方法。假设三相绕组完全对称 ，忽 略电机中的磁滞和涡流损耗 ，不计 电枢反应对气 隙磁通的影响。可得三相无刷直流电动机的等效 电路如图 1所示 。 三 相无 刷直流 电机 的 电磁 转矩 为 = pro 式中， 一转子旋转机械角速度 ；∞一转子旋转 电 

第 45 善2期期) ( 第45卷(总第 期) ) ／-j 153 EXPLOSION PROOF ELECTRIC MACHINE ) -PROOF 爆'龟扎 'I|卜l U 角速度 ；JP一电机的极对数。 e =k,ak c￡， (5) 同理可得 B、c两相形状函数 ，则三相反电动 势为 ，e = Jl}e∞ J e =k,Bk to te；：k,ck (6) 图 1 无刷直流 电动机 的等效 电路 将式(5)代人式(1)，可得 无刷直流电机定子采用集 中绕组 的方式 ，以 k 获得 良好的梯形波反电动势形状 ，同时为避 免不 希望的磁阻转矩造成的转矩脉动 ，采用定子倾斜 一 个槽的槽距或转子每极磁钢倾斜一个槽的槽距 由定方式，当转子以电角速度 旋转时，定子每 相绕组反 电动 势波与磁通 密度分布波形应该一 致 ，为简化分析 ，可将它近似为梯形波。 定子每相绕组的感应 电动势幅值 ]_[" = ( +后扭 8+k,cic) (7) 电磁转 矩 表 达 式 (7)中 ，只 包 含 形 状 函 数 和 相 电流 ，没 有转 速项 。 2 基 于升 频和 两点式 电流调节控 制 的 BLDCM 起 动 在 BLDCM 的开环起 动控制 中，定子磁 势的 w p = l 5 n (2) 位置变化 ，决定了起动速度的快慢和方向。定子 磁势空 间位 置 的设定可 通过 单片 机 、DSP或 CPLD 式中， 一每相 串联 匝数 ； 一每 极磁通量 ；O／i一 等器件 的软 件编 程 来 实 现 ，这 里 采 用升 频 控 制 方 计算极 弧 系数 ； 一电机转 速 ，将 n： ∞ 代入 式 (2)，得 式。在开环升频设定中 ，只要开环起动 电角加速 度的设定满足式 (8)，其 中 为负载转矩 ，同时 通过电流调节控制 ，便可实现 电机的可靠起动 。 ： 竹 ． ： |i} ∞ (3) 1 ＼ < dt PJ (8) 、u， 式 中 ， 一反 电势 系数 。 由于相反电势的值与转子位置有关 ，设 卢 为 反电势平顶宽度 ，而由式 (2)可知 ，反 电势幅值正 比于转子电角速度 。在 0～2竹区间内 ，取函数 k 表达式 为 f— ∞￡ I ∞ o≤ t<下"iT--tim 0≤ <— 华 <华 I {一 c 订 < I一1 3丁~r_tim≤ t<丁3,rr+tim 【 2(tot-2-rr) 华 <2盯 (4) 由式 (7)可见 ，起动 电磁转矩跟形状 函数和 相 电流有关 ，而与转 速无关 。形状函数由电机 结 构决定 ，一旦电机制造完成就基本不变 ，因此改变 转矩的大小只能通过调节电流大小以及电流与形 状函数间的相位关系来实现。 电流调节控制 ，采用两点式比较器 ，当任一相 电流的绝对值增大到最大给定值时 ，电流调节控 制输出六个功率开关管的关断信号 ，使得相 电流 减小 ；当任一相 电流的绝对值减小到最小给定值 ， 或一直小于最小给定值时 ，电流调节控制的输 出 等于其输入。电流调节控制完全根据定子 电流大 小选择相应控制，既确保了限流目的，同时具有很 快的响应速度 。另外 ，为防止 由于 电流变化速度 过快 ，而导致逆变电路 中功率管开关频率过高 ，在 电流调节器控制中可设计一个单稳态延时 电路 ， 保证限流的同时 ，避免了功率管开关速度过快 ，提 这 里 函数 ．1}。 可 称之 为 A相 形状 函数 ，即 高了系统的可靠性。基于升频和 电流调节控制的 21 

爆 也 机 (EXPLOSIoN-PRooF眦 CTRIc MAcHINE) 第45 ) BLDCM开环起动控制原理框图如图 2。 3 仿真 结果 仿 真 三 相 BLDCM 参 数 为 ： =26mH，r= 0．66Q ，J = 0．00157kg ·m ， ： 48V ，／Z = l 609．r／m，负载 转矩 TL=0．01N·m，P=1， = 0．005s。在 Matlab／Simulink中建立 系统仿 真模 型 。 设定子频率改变由零开始匀加速上升，在转 子 d轴初始静止位置位于 坐标 系下的 一6O。 电角度 ，电流调节控制设定最大值为 2A、最小值 为 1．5A。 二二导通起动控制逻辑波形如 图 3，其变化 规律满足定子升频设定要求。起动转速变化过程 如图4。起动过程中的 A相电流波形如图5，可见 起动电流基本上在调节控制范围内。图 6、图 7分 别为起动过程和稳态时的定子磁链轨迹 。 i ； i i ； i j i i —1 l_1j 丌 『『丌。 ‘一 一 ‘门一日。f『。 0。i『『『 ‘8 …一 ‘ 一n‘ 『『’『『1i一嘲 哪l …j— T一1 —玎。1]。啊’ T7耵 7『f - I l I i I l i - ： ； i ； i i i i i ] ’ 丌‘rl-I!TI—ill ~ITIII]] 一j门 一 f1。 ’『i翔‘8。0 1『 图 3 二二导通起动控制逻辑波形 s 图 4 起动过程速度变化 i i ===Ⅱ= ：： ：：弧 。lc I1 _【 盆 ： ：l J一 … - - - - " , ,"-Ii ；…- ， f／ 图 5 A相 起 动 电流 o 2 5_O 2．0 1 5-0 1 0 05 0 0．05 O．1 0．150 2 0 25 FI linkgage·alfa／W b 图 6 起动过程定子磁链轨迹 jt≥I I I i I t王i王 …． 一 ． 0… … … ；… ；一 … }… 一 星。 牟0 薹一o 兰 ．0．1 … 寸 ～ … … … … 一 … … ． O．15 一 O．2 … H ～ ：：j二辛 十寸～ O．25 ． O． F lux linkgage’alfa／W b 图 7 稳态时定 子磁链轨迹 4 结 语 基于升频和电流调节控制的 BLDCM开环起 动 ，一方面通过升频设定来确定电机开环起动速 度 ，另一方面运用两点式电流调节控制 ，保证起动 转矩 ，改善 BLDCM的开环起动性能。 基于升频和电流调节控制 的 BLDCM开环起 动控制 ，保证 了系统的可靠和安全起动。但通过 仿真也发现 ，由于起动时间设定不同和负载转矩 的变化，起动过程也存在着电机转速的波动 。 参考文献 [1] lizuka K，Uzuhashi H，Kano M，et a1．Microcomputer ~ntrol for sensorless brushless motor[J]．IEEE Transactions (下转 36页 ) 

酚爆 也 机 (EXPLOSION—PROOF ELECTRIC MACHINE) 第45卷(总第153期) 2010~第2期 出版社 ，2007． [3] 宋文祥 ，陈国呈 ．三 电平中点钳位 式逆 变器 SVPWM 方法的研 究．电工电能新技术．2004，23(4)：30．33． [4] 宋文祥 ，陈国呈 ，武惠．一种具有 中点 电位 平衡功能 的三 电平空 间矢量调 制方法及 其实现．中国 电机 工程学 报．2006，26(12)：95一lo0． [5] Nabae A，Takahashi I，Akai H．A new neutral-point— clamped PWM inverter[J]．IEEE．Trans．Ind．Applicat．IA一 图 6 定 子磁 链 轨 迹 17，1981：518-523． 从图 4～图 6的仿真结果来看 ，基于 SPWM [6] Amit Kumar Gupta，Ashwin M．Khambadkone．“A 调制的三电平逆变器是有效 的，能够达到变频调 General Space Vector PWM Algorithm forMultilevel Inverters， 速的要求。 5 结语 Including Operationin Overmodulation Range”IEEE Trasac- tion on Power Electries，Vo1．22，No．2，March 2007：517． 525． Simulink仿真 的结果证 明了 SPWM三 电平逆 变器驱动异步 电机 的方案是切实可行的，三 电平 逆变器比两电平逆变器响应更快 ，输 出的各项波 [7] Sergio Busquets-Monge，Josep Bordonau，“The Nearest Three Virtual Space Vector PW M·-A Modulation for the Cam -- prehensive Neutral-·Point Balancing in the Three··Level NPC Inverter'’Power Electronics Letters，IEEE． Volume 2，Issue 形更好 ，比两电平更有实用价值。 参考文献 l，March 2004 Page(s)：11-15． [1] 洪乃刚．电力电子和 电力拖 动 系统的 Maflab仿真． 北京 ：机械工业 出版社 ，2006． 作者简介 ：刘 竞 男 1985年生；华南理工大学电力学院电机与 电器专业硕士研究生，研究方向为电气传动系统及智能控制． ’ [2] 刘凤君．多 电平逆变技术及其应用．北京 ：机械工业 收 稿 日期 ：2009．12-28 (上接 22页) anee of a PM DC Brushless Motor Drive System with No Posi· on Indfistry Applications，1985，21(4)：595-601． tion Sensor[C]．PESC89 Ree．，1989，II：815-821． [2] 沈建新 ，吕晓春 ，杜 军红 ，陈永校．无传 感器无 刷直 [11] 冯培悌 ，舒振杰 ，郑吉．永磁 无刷直流 电机的 位置 流 电机三段式起动技术的深入分析 [J]．微特 电机．1998． [3] 杜 晓芸 ，林瑞光 ，吴建华 ．无位置传感器无刷 直流 电 传感器控制技 术[J]．机电—体化．2001，5：49-51． [12] 郑吉 ，王学普．无刷直流电机控 制技 术综述 [J]．微 机的控制策略 [J]．电机与控制学报．2002，6(1)：21-25． 特 电机．2002，3：11-13． [4] J．X．Shen and K．J．Tseng．Analyses and Compensation [13] 卿晓辉，罗隆福，李勇，许加柱等．基于 DSP的无位 of Rotor Position Detection Error in Sensorless PM Brushless 置传感器无刷直流 电机控制 系统 的软化策略研 究及实现 DC Motor Drives[J]．IEEE Trensactions on Energy Conver- [J]．防爆 电机．2006，41(3)：25-28，49． sion，2003，18(1)：87-93． [14] 邓 灿 ，张森林 ．一 种新 的无 刷直 流 电机起 动方 法 [5] 孟涛 ，方凯．电动汽车上无传感器 BLDCM的起动控 [J]．微 电机．2002，35(6)：29-31，60． 制 [J]．电力电子技术．2008，42(1)：32-34． [15] 卢秀和 ，杜东礼 ，郭志伟 ，关洪亮 ．基于脉 冲注入法 [6] 廖承喜 ，朱志杰 ，翁微．无刷直 流电机三 段式 自起动 的无刷直 流 电动 机转 子位 置 检测 [J]．微 电机 ．2008，41 关键技术研究[J]．电力电子技术 ．2008，42(5)：61-62，65． (5)：24_26． [7] 刘明基 ，王强 ，皱 继斌 ，张豫等．电动 势换向 无刷直 [16] 李钟明 ，刘卫国．稀土永磁 电机 [M]．北京 ：国防工 流 电机的预定位方式起动 [J]．微特 电机．1999，2：8-10． [8] 邹继斌 ，张 豫 ，李 宗政 ，王强等．无位置 传感器 无刷 业 出版社 ，2001． [17] 孙 建忠 ，白凤仙 ．特 种电机 及其控制 [M]．北京 ：中 直流电机驱动 电路的研 究 [J]．微 电机 ．1999，32(2)：l6． 国水 利水 电出版社 ，2005． 18．47． [9] 王冉冉，刘玉庆．无位置传感器无刷直流电机起动 的比较与研究 [J]．微电机 ．2003，36(1)：29-30，49． [1O] Krishman R，Ghosh r．Starting Algorithm and Perform- 36 作者简介 ：孟光伟 男 1971年 生；讲师，博士研究生 。研 究方 向为电力 电子与电力传动、电机与控制． 收稿 日期：2009-12-07