1 概述

      直流電動機以其優秀的線形機械特性、較寬的調速范圍、大的啟動轉矩、控制方法較簡單等優點，在各種驅動、伺服系統中有著廣泛的應用[1]，但傳統的直流電機中的電刷和換向器由于直接接觸、摩擦造成的磨損、火花、噪聲等是一個不可忽視的問題。永磁無刷直流電機（PMBLDCM，以下直接簡稱為BLDCM）利用電子換向替代了機械換向，沒有磨損、火花，噪聲大大減小，目前有著大量的應用，但如何實現最低成本的最優化控制，迄今為止尚無完美的解決方案。本文給出了較之大部分控制方法成本更加低廉、結構更加簡單的解決方案，并通過實驗進行了驗證。

      對于無刷直流電機，控制方法的核心是要獲得電機位置或速度的實時信息。目前獲得位置、速度信息的方法主要有兩種：1.依靠霍耳元件或者碼盤來獲得位置、速度信號[2]，這種方法比較直觀簡單，但是存在如下問題：增加了器件成本，在無法加裝傳感器的時候無效；2.無傳感器(Sensorless)方法，即不加裝傳感器，目前主要有反電動勢過零檢測法[3][4]、三次諧波分析法[5]、Kalman預測法[6]，而這幾類方法大都局限于反電動勢為梯形的BLDCM，而且有的需要加裝特別的外部電路[3][4]，在一些場合下無法實現；有的算法復雜，會造成較大的實時誤差[6]，也不是很實用。目前一些公司如NEC，Renesas已經開發出了針對正弦反電動勢BLDCM的無傳感器的控制芯片，但是價格貴，調試繁瑣，升級不方便是很大的問題。本文給出了一種新的針對正弦反電動勢電機的控制方法，控制采用了TI公司DSP芯片（TMS320LF2407A），核心代碼完全用C語言開發，便于調試、升級，同時實現了很好的啟動和調速功能，并對整個電路進行了最大的簡化，無需加裝特別的采樣電路，利用系統中的電路保護電阻完成對電流的采樣。

2 系統結構綜述

      參考圖1，本系統中通過單電流采樣，在DSP中實現電流鑒別算法和濾波算法，得到對應的三相電流，通過速度位置估算算法計算出電機轉子的當前位置和速度，然后利用PI反饋算法生成新的PWM作用于電機之上，完成一個控制流程。這樣循環往復，實現了電機從啟動到正常運轉以及調速的功能，下面將分別闡述各部分的原理與實現。

圖1 BLDC控制系統示意圖

3 單電流采樣的實現

      如圖2所示，電機的驅動采用了七段式的空間矢量法(SVPWM，Space Vector PWM)，利用六個依次相差60度的基本矢量和全0矢量（與全1矢量等效），根據不同的作用時間合成按給定轉速作圓周轉動的旋轉矢量。

圖2 SVPWM波形生成及單電流采樣示意圖

      從上圖中我們可以看出，一個SVPWM周期可以劃分成七個小的時間段（此即七段法名稱的由來），不同的時間段對應不同的開關管控制電壓，不同的控制電壓造成了逆變電路中功率開關管不同的通斷狀態，而不同的通斷狀態則對應著不同的電流流向，因此只要我們知道了當前的電流流向狀態，就可以從兩次不同時間的采樣電流（分別對應若干電流之和）中提取出需要的電流。以第0扇區為例（如圖2右側所示），在第一次電流采樣中得到了Iu，第二次得到了(Iu+Iv)，由于在很短的時間內，電流不會發生突變，這樣就可以根據(Iu+Iv+Iw=0)推算出三相電流，完成了單電流采樣(One-shunt current detection)。

      這一算法簡潔明了，但也存在著一定的問題：第一，在采樣的過程中往往會引入較多的噪聲，需要進行濾波；第二，存在扇區邊界切換問題，我們從圖2中可以看出，在旋轉矢量跨越邊界的時候，由于某一基本矢量作用時間太短會導致采樣無法完成，這個時候，可以通過限制作用時間最小值來保證采樣過程正常進行，但這樣必然會使生成的正弦波發生畸變，我們通過簡單的濾波（例如限制兩次電流采樣值的差異幅值，根據歷史值修正新值等）去掉畸變點，可以實現很好的效果。

      實際采樣以及濾波處理結果如下（圖3），從圖中可以看出通過濾波達到了很好的電流檢測效果，完全可以滿足進一步的控制需求。

  
圖3單電流采樣電流結果(未濾波與濾波后的比較)

4 無位置、速度傳感器下電機控制方法詳述

      這里將從電機的初始化啟動、正常運轉和調速三個方面敘述電機控制的全過程，并給出電機控制算法的流程圖，讓讀者更能夠從整體上了解這一控制方法。

      啟動過程：由于整個系統沒有傳感器以獲得電機的實際位置，如果從任意位置啟動，可能會造成電機反轉甚至啟動完全失敗，因此需要對電機轉子位置進行初始化，即把后面控制算法中涉及到的轉子角度的初始值清零。我們采用的初始化方法是生成一個固定的PWM脈沖序列，該序列的特點是只作用于在某一相，最后將電機鎖定于某一磁極，達到了初始化的目的。

      正常運轉：目前我們采用TI公司的TMS320LF2407A作為控制的DSP，該DSP本身具備PWM 控制寄存器，通過較簡單的程序就能完成前面所述的七段法SVPWM波的輸出。
整體控制算法流程如圖4所示：

圖4控制算法流程

      電機通過單電流采樣得到兩個采樣電流值，通過電流識別方法，計算出三相電流，利用Clarke和Park變換將電流映射到d、q坐標系下，估算出角度和速度值，通過結合了積分分離的PI控制算法，完成對電機的反饋控制，然后經過Park逆變換，控制生成了新的SVPWM波，完成一次循環。這里用到的位置、速度估算函數由于篇幅所限，將另做描述。

      調速的方法：在電機運轉過程中，當需要調整轉速時，我們采用分段加減速的方法，將給定目標速度和電機當前速度之間分成若干小段，逐級進行調速，從而達到很穩定的調速效果。

5 實驗結論及進一步的工作

      目前我們已經在一臺92BL(1)C50-15H的BLDC上實驗成功了上述控制算法，完成了從啟動到正常運轉、加減速、拖動負載的全部工作，電機運行平穩，噪聲小，輸出轉矩穩定。我們測試了雙電流采樣和單電流采樣的方法，均達到了理想的效果。目前正在進行將控制方法移植到空調壓縮機上的嘗試，已取得初步成功，下一步將改進算法，增加諧波補償功能，使電機運轉更加平穩，測試對更多種型號電機的控制，并考慮進行工業上的應用。

      本文作者創新點：采用電機保護電路電阻作為唯一的電流采樣電阻，結合單電流采樣鑒別算法得出三相電流，實現了對反電動勢為正弦波的BLDC的無傳感器控制。