1、第42卷第5期2008年5月西安交通大學學報JOU RNAL OF XI AN JIAOTONG U NIV ERSITYVol. 42 5 May 2008電動車用無刷直流電機無位置傳感器控制研究曹建波，曹秉剛，王斌，許鵬(西安交通大學電動車研究開發中心,710049,西安摘要：通過分析電動車用無刷直流電機換相原理及間接位置檢測原理，設計了一種基于反電動勢 法的無位置傳感器電動車控制系統，為消除電機中性點電壓和阻 容濾波對反電動勢檢測電路的影 響，該系統對傳統反電動勢法進行了改進，將采樣 電路的參考點與電池負極斷開，并通過軟件設計 進行了反電動勢相移補償.實驗結 果表明，改進后的無位置傳感器

2、控制系統消除了電機中性點電壓對反電動勢檢測電路的影響，不論電機運行在低速還是高速狀態，都可準確地檢測反電動勢的過 0點, 在進行了相移補償之后，可成功實現無位置換相控制，從而提高了電動車控制系統 的可靠性和穩定性.關鍵詞：電動車；無刷直流電機；無位置傳感器；反電動勢法中圖分類號:TP301文獻標志碼:A文章編號：0253-987X(2008 05-0597-05Positi on -Se nsorless Con trol for Brushless DC Motor of Electric VehicleCAO Jia nbo, CAO Bin gg ang , WANG Bin, XU P

3、e ng(Research an d Development Cen ter of Electric Veh icle, Xi an Jiaoton g Un iversity, Xi an 710049, ChinaAbstract :By analy zing the principle o f position -sensorless co ntro l fo r brushlessDC motor (BLD -CM , a co ntro l sy stem by means o f back -electr omotive force(back - EMF metho d is de

4、sig ned fo r electric v ehicle （EV . T o elim in ate the in flue nee on back -EMF detection circuit fr om motor neu -tral po int and RC filter, the reference point of detectio n circuit is disco nnected from battery cath -o de, and the phase shifting of back - EM F is compensated by softw ar e schem

5、 e. T he experimental results show that the con trol system of positi on -se nsorless EV en ables to elimi nate the in flue nce fro m mo to r n eutr al point to r ealize zero -cro ssing detect ion accurately w henev er BLDCM r uns at hig h or low speed. The phase shift ing once is co mpen sated, the

6、 positi on -se nso rless com mutation control is com pleted to ensure the system reliability and stability.Keywords :electr ic vehicle; brushless DC mo tor; po sition senso rless; back -electr omotive fo rce method由于電動車具有節能無污染以及方便快捷的特點，因此已經逐漸成為人們生活 中一種重要的綠色交通工具.電動車主要包括車體、電機、電池、充電器和控制 系統5大部分，電機作為電動車的

7、動力部分，其性能直接決定了電動車的整車運行 性能1.永磁無刷直流電機（BLDCM既具有交流電機 的結構簡單、運行可靠和維 護方便等一系列優點，又具備直流電機的運行效率高、無勵磁損耗及調速性能 好、啟動轉矩較大等特點,在電動車領域被廣泛應用2.有位置傳感器的BLDCM 的缺點3為：位置傳感器難于安裝，限制了電機的小型化，增加了電機 的成本；位 置傳感器比較容易損壞，難于維修，影響電機的壽命；霍爾元件溫度特性不好，導 致了電機穩定性下降.因此，本文電動車采用無位置傳感器的無刷直流電機.目前，國內外文獻已對多種無位置傳感器控制收稿日期：2007-09-12.作者簡介：曹建波（1980-,男,博士生；

8、曹秉剛（聯系人,男，教授，博士生導師.基金項目：陜西省中小企業創新基金資助項目（06C262100555 .策略進行了研究.文獻4-9中提出了很多方法，如反電動勢法、相電流法、 續流二極管法、磁鏈位置估計法、模型參考位置估計法、卡爾曼濾波器估計法和 檢測電機相電感變化的位置估計法等.這些方法多 數均建立在電機參數精確預知的前提下，而在實際 環境中許多電機參數并不確定，且有些參數隨環境 變化而變化， 因此在實際運行過程中很難達到預期 效果.反電動勢法由于控制較簡單可靠，穩定 性好，因此是無位置傳感器無刷直流電機中最常用的一種控制方法.本文針對電動車工況復雜的特點，決定采用該方法，并對反電動勢位置

9、采樣電路和相移補償 進行 了改進，設計了一種新型的電動車用無位置傳 感器控制器，實驗結果表明，該控制 器可成功進行換相控制，具有較高的精度.1電動車控制系統的設計本文設計的無位置傳感器電動車控制系統的框架如圖1所示，控制系統的工作過程為：控制芯片收 到調速信號和電機的反電動勢位置信號后，將相應的脈寬調制 (PWM信號和6路驅動邏輯信號輸送 給場效應晶體管(M OSFET驅動芯片 IR2103, IR2103進行邏輯變換后調制6個M OSFET驅動電機,通過速度計算和電 流檢測來反饋控制結果，在控制芯片中對反饋結果進行處理后再輸出，形成閉環控 制.與此同時，控制芯片還通過串行通信接口將相 關的信

10、息傳輸到顯示面板，顯示 當前的工作狀態圖1無位置傳感器電動車控制系統框圖2無位置傳感器控制2 1 BLDC M換相原理本文電動車應用的是具有梯形反電動勢的無刷直流電機，采用三相橋式丫形聯接，120兩兩導通的方式，無刷直流電機等效主電路的原理見圖 2.在允許的范圍內做如下假設：忽略齒槽效應，U s :電池電壓；T 1T6:場效應晶體管；u a、u b、u c :電機的三相端 電壓；ra、r b、r c :定子的三相內阻；L a、L b、L c :定子的三相電感；e a、e b、e c :定子的三相反電動勢；i a、i b、i c :電機的三相相電流；u 0:電機定子繞組中性點 的對地電壓；A、B

11、、C:電機的3個相圖2無刷直流電機等效主電路圖繞組均勻分布于光滑定子的內表面；忽略磁路飽 和，不計渦流和磁滯損耗；轉 子上沒有阻尼繞組，永磁體不起 阻尼作用.定子三相繞組的端電壓方程7可表 示為u a u b u c=r a OOOr b 00r i a i b i +d tL a000L b 000L i a i b i +e a e b e c+u 0u 0u (1在允許的范圍內 ,設r a =r b =r c =r m , L a =L b =L c =L m ,貝U式(1 可簡化為 u a u b u =r m 000r m 00r i a i b i c +d t L m 000L

12、m 00L i a i b i c+e a e b e c+u 0u 0u (2電機的換相過程為：控制芯片根據轉子位置信號判斷相應導通的兩相，通過對 逆變器的T 1T 6進行控制供電，形成旋轉磁場，帶動轉子磁鋼轉動.電機三相的反電動勢理想波形如圖3所示.22反電動勢過0點檢測原理及其采樣 電路設計由圖3可知，無刷直流電機的反電動勢波形是 很好的檢測電機轉子磁極位置的 信號，它能嚴格地 反映轉子磁極的位置.但是，在實際應用中電機反電 動勢不能被 直接檢測，因此必須利用間接方法來檢 測反電動勢的波形.由于本文研究的對象是 用于調速系統，而非伺服系統，所以只要檢測到反電動勢波 形的過0點以保證電機

13、準確換相即可，即利用未導通相的端電壓來檢測該相反電動勢的過 0點.598西安交通大學學報第42卷Co 60120180240300360420ML)m 1m 6:反電動勢的過0點；n 1n 6:電機換相點圖3反電動勢的理想波形圖現假設電機A相和B相導通，此時A、B兩相電流和反電動勢的大小相等,方向相反,C相電流為0,即i a =-i b , e a =-e b , i c =0.將上面的條件代入式(2可得中性點的電壓和C相反電動勢過0點的檢 測方程 8u 0=2(u a +u b(3 e c =u c -u 0=u c -2(u a +u b (4同理，可得A相和B相的反電動勢過0點檢測方程e

14、 a =u a -2(u b +u c(5 e b =u b -2(u a +u c(6從式(4至式(6中可以看出，反電動勢的計算不包含中性點電壓，可直接由端電壓獲取計算得到反電動勢過0點后再延遲 30 ,即為電機換相點，其理想的換相邏輯如圖3所示.MOSFET導通順序如 表1所 示.表1 MOSFET導通順序表過0點延遲角度/（換相點M OSF ET開關狀態m 130n 1T 1、T 6導通,其余 關閉m 230n 2T 3、T 6導通,其余關閉 m 330n 3T 3、T 2導通,其余關閉m 430n 4T 5、T 2導通,其余關閉m 530n 5T 5、T 4導通,其余關閉m 630n

15、6T 1、T 4導通,其余關閉本文設計的電 機反電動勢采樣電路如圖4所示，為了消除u0對反電動勢檢測 電路的影響，將檢測電路的N點與電池負極斷開，并將其與控制器的地相連，得到基于端電壓的反電動勢檢測電路由于消除了 u0對反電動勢檢測電路的影響，不論電機運 行在低速還是高速，反電動勢過0點的位置檢測信 號都 不會產生波動，因此提高了控制系統的可靠性 和穩定性.電機的端電壓經過阻容分 壓濾波后得到 電壓u al、u bl、u c1,再與參考電壓u r相比較,得到三相 反電動 勢過0點的電壓信號u a2、u b 2、u c2,并送到控制芯片中進行換相控制(見圖5. 2 3反電動勢的相移補償由于反電動

16、勢的 采樣電路采用了阻容網絡濾 波,不可避免地就會使得反電動 勢的過0點產生相 移，使位置檢測不準確，應用中必須進行適當的相位 修正.下面 以A相為例進行分析由圖4可得u al相對于u a的傳遞函數9alu a2R 1+R 2+R 1R 2C 1s (7根據式(7 ,可計算得到u al相對于u a的相位延遲角度=ar ctan121R1+R2(8式中:f為反電動勢頻率，是與速度成正比的變量如圖6a所示，當0 30時，如 果不考慮 的影響，真實換相點將由n點偏移至n 1點，所以相位調整角=30 -,即檢 測到反電動勢過0點后，延遲 換相在這里也可以延遲=90 -后,在下一個換相點 n 2點換相.

17、如圖6b所示,當30 < 60時,=90 -.由于過大,而與之對應的換相點n 已經丟失,因此求得的是與m 1對應的下一個換相 點n 2.總之,無論0 30 ,還是30 < 60 ,都可以將相位調整角統一描述為 =90 -,從而避免了在編程實現時的分段操 作，簡化了編程，使實用性 和可靠性更好R 1R 15:電阻;C 1C 3:電容圖4反電動勢采樣電路圖24啟動技術研究599第5期曹建波，等：電動車用無刷直流電機無位置傳感器控制研究圖5 u a2、u b2、u c2的換相邏輯圖(a 0 30(b 30 < 60圖6反電動勢的相移原理圖的難點之一，電機在靜止或轉速較低時，由于反電

18、動 勢為0或較小，無法通過 檢測反電動勢的過0點來判斷轉子的位置，因此需要采用一定的啟動方法使 電機 運轉到可以穩定獲得反電動勢過 0點的速度目前，啟動方法主要有三段式啟動、 預定位啟動和升 頻升壓同步啟動法，以及短時檢測脈沖轉子的定位 啟動法等10.結合電動車的工作特點，本文采用升頻升壓的 軟件啟動方式.該方式無需附加 任何啟動控制電路，把無刷直流電機作為永磁同步 電機來實現變 頻啟動，由控制 芯片產生PWM波形控制逆變器，使逆變器的換相頻率從小到大慢慢地增加、電 機定子的電 壓開始很小并逐步增加.與此同時，將PWM波形的參數送入比較器進 行比較，當PWM的占空比達到一定數值時，也就是電壓足

19、夠大、 電機轉速達到一 定速度以后，就可以獲得足夠大的反電動勢，此時就可 以適時地將電機切換到利用 反電動勢檢測信號控制 換相的運行狀態.3實驗研究本文設計的控制器以TI公司的數字信號處理 器(DSP TM S320LF2407A為控 制芯片，以西安交 通大學博源電 動車公司的微型電動車 作為實驗平 臺，對反電動 勢采樣電路、軟件相移補償、無位置傳 感器換相控制進行了實驗測試電動車所 用電機為 上海21所研制的安乃達無刷直流電機，額定電壓為48V,額定功率為 500W,電角度為120 .實驗中使 用Tex tr onix TDS1002型示波器對電機的電壓信號 和位置信號進行測試和記錄3 1不

20、同參考點對反電動勢采樣波形的影響如圖7所示，圖7b由于消除了電機中性點電壓u0對反電動勢檢測電路的影響，不論電機運行在低 速還是高速，反電 動勢過0點位置的檢測信號都不會產生波動，因此提高了控制系統的可靠性和穩定 性.(a參考點為電池負極(b參考點為N點圖7不同參考點的采樣波形比較圖32反電動勢相移補償實驗為了驗證反電動勢相移補償的效果，通過軟件設計輸出了補償 后得到的位置 波形u a2,并與實際 的霍爾位置波形H a進行比較，結果如圖8所示.未經補償的 反電動勢采樣波形不能直接 用于驅動電機，因為它不是實際的換相點，和實際的 換相點相比有個時間差，而補償后的換相點與實際換相點基本吻合，達到了

21、預期的效果，所以可以用來作為電機的換相信號.(a未補償波形(b補償后波形圖8反電動勢的相移補償對比實驗33無位置傳感器換相控制實驗600西安交通大學學報第42卷不同負載的情況下，都可成功啟動，不會有錯位和失 步的現象電動車正常運行時的換相波形如圖9所示，從圖9中可以看出，電機換相準確、平穩，達到了設計的目的.電動車在行駛過程中，與改進前的控制 系統相比，其噪音和振動感明顯 降低，運行也更加可靠平穩Audowk Joiimal Hwlraiij60°60> 4020060W 40» 20(a u a與u b的波形圖(b u a與u a2的波形圖圖9電機的換相控制波形圖4

22、結論本文在建立無位置傳感器電動車控制系統主回路結構的基礎上，進行了無刷直流電機無位置傳感 器控制的對比實驗，得出的結論如下(1本文設計的基于反電動勢法的無刷直流電機無位置傳感器控制系統，將檢測參考點與電池負 極斷開，消除了電機中性點 電壓對反電動勢檢測電 路的影響，不論電機運行在低速還是高速狀態，反電動勢過 0點的位置檢測信號都不會產生波動，可很好地實現反電動勢過0點的檢測，因此 提高了電動車控制系統的可靠性和穩定性(2通過軟件設計進行相應的反電動勢相移補償之后，解決了由相移所帶來的換相不準確的問題.控制系統在不同負載的情況下都可成功啟動 ，并能準確平穩地 實現無位置傳感器的換相控制，因此具有

23、更好的魯棒性，使電動車駕駛更加平穩安 全舒適.參考文獻：1 曹秉剛，張傳偉，白志峰，等.電動汽車技術進展和發展趨勢J.西安交通大學學報,2004, 38(1 :1-5. CA O Bing g ang , ZH A NG Chua nw ei, BA I Zhife ng, et al. T ech no Io gy pr og ress and trends o f electr ic vehicles J. Jour nal of X i an Jiaotong U niver sity, 2004, 38(1 :1-5.2 廖連瑩，王仲范，鄧亞東，等.電動汽車永磁無刷直流電機鍵合圖 建模

24、與仿真J.武漢理工大學學報，2003, 25(6 :192-195.LI AO Lia ny ing, W A NG Zho ng fan, D EN G Y ado ng , et al. Simulatio n of a per manent magnet brushless DC motor for electric vehicle using the bo nd gr aph method J.Jo ur na l of W U T , 2003, 25(6 :192-195. 3王永.反電勢法 無刷直流電 機控制 系統研究D .南京：東南大學電氣工程學院，2004. 4 CH EN

25、Wei, XIA Cha nglia ng.Senso rless co nt rol o fBL DCM based on fuzzy lo gic C P ro ceedi ngs o f the 6th Wo rld Co ng ress o n I ntellige nt Co ntro land A uto -matio n. Piscataw ay, NJ, U SA :IEEE P ress, 2006:6298-6302.5 肖本賢，郭福權，婁天玲，等.基于模糊神經網絡預測轉角的無傳感器無刷直流電動機換相控 制研究J.系統仿真學報，2003,15(8 :1120-1135.XIA O Benx ian, G U O Fuquan, L OU T ianling, et al. T