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[摘 要]针对无刷直流电机，采用矢量控制技术实现了正弦波驱动。通过霍尔位置传感器进行转子位置估算。利用以STM32F103CB微控制器为核心的无刷直流电机控制系统实验平台进行验证。实验结果表明，采用矢量控制可有效降低无刷直流电机运行噪声和转矩脉动，适用于风机、家电等需要静音稳速运行的应用场合。
[关键词]无刷直流电机； 矢量控制； 霍尔位置传感器； 转子位置估算
中图分类号：S509 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）16-0210-01
1 引言
无刷直流电机具有结构简单、效率高、调速范围宽等优点，现已广泛应用在风机、泵类电机驱动系统中。在无刷直流电机控制[1-5]中，通常采用安装位置传感器的方法获取转子位置信息，通常选择霍尔传感器，结构简单、成本低、维护简单，但位置检测精度低。在低成本、中小功率无刷直流电机设计中，常常采用短距分数槽绕组，其反电动势波形比较接近正弦波，本文所讨论的正是基于反电动势为准正弦波的无刷直流电机。近年来，许多科研人员开始研究采用正弦波驱动无刷直流电机的方法，其中常用的正弦波驱动方法[7-10]为简易正弦波（SP-WM）方法和磁场定向控制（简称矢量控制，FOC）方法。
由于电机绕组为感性负载，电机相电流因滞后反电动势无法获得最大转矩，因此，需要设置超前角调整电压相位，使生成的相电压超前于反电动势。矢量控制把定子电流解耦分为产生磁场和产生转矩分量两部分，建立电流环，直接控制相电流的相位和幅值，本质为电流环控制，算法实现复杂，控制精度更高。矢量控制在整个控制过程中，都比較容易实现高效率和大转矩的输出。近年来，随着高性能、低成本微控制器的出现，复杂控制算法变得容易实现。因此，本文采用矢量控制方法实现无刷直流电机正弦波控制。
2 系统方案
本方案运用霍尔位置传感器获取转子位置信息，从而实现无刷直流电机的矢量控制，矢量控制系统主要由以下几个模块组成：速度环、电流环、矢量控制算法模块和转子位置估算模块。
速度环主要进行速度计算和速度PI调节。速度是通过定时器对霍尔信号的捕获值计算得到的，因此为了确保速度的准确性，对捕获值进行平均滤波处理（即取最近三次或六次的捕获值计算）。计算出转速后，将给定速度与计算速度相减，差值作为速度PI调节器的输入。
矢量控制算法采用SVPWM调制方式，主要因为SVPWM调制方式的电机控制效率高、谐波抑制能力好、母线电压利用率高。
方案中采用霍尔位置传感器实现转子位置估算，3个霍尔位置传感器信号接到STM32器定时器的输入引脚，使用定时器捕获功能，既更新了转子相位角，还可以得到位置信号半周期捕获值。通过定时器捕获功能设置，位置信号可以选择每隔60°或120°电角度更新一次。
3 系统硬件设计
无刷直流电机矢量控制硬件系统主要由无刷直流电机、电源、驱动电路、控制电路、电压检测电路、电流检测电路、数码管显示电路、霍尔位置信号检测电路等共同组成。功率驱动电路主开关器件采用高性能功率MOSFET，控制电路的主控制芯片采用STM32F103CB，通过控制电路采集电压、电流、位置信号，从而运用这些采集的信号完成矢量控制算法，同时控制电路根据得到的外部信号可以实现电机起停控制。
4 系统软件设计
系统软件设计由主程序和中断程序以及两部分组成。主程序设计实现应用和故障控制相关功能，包括控制各模块的初始化以及程序循环执行的状态机制。ADC转换结束中断程序是整个软件的核心部分，在中断程序中实现转子位置估算矢量控制算法。
4.1 转子位置估算
假设转子在当前扇区的瞬时速度等于前一扇区的平均值，可得转速和电角度计算公式
由于速度计算误差原因，当霍尔信号跳变时，会出现估算角度不等于校正角度的情况.此时，采用强制校正转子位置会导致扇区切换时转子位置发生突变，为了使转子位置不产生突变，可以选择线性角度校正方法，线性角度校正方法实现过程如下：
在换相瞬间不强制校正转子位置，而是计算出估算转子角度与校正点角度的差值，误差很小时，选择强制校正方法。如果误差超过一定范围，可以通过若干PWM周期进行过渡，这样相当于把角度突变进行平滑处理，实现转子位置变化的平稳性，同时避免累积误差的产生。
4.2 矢量控制算法
在每个PWM周期内，完成转子位置估算、相电流、相电压等模拟量采样、转速环和电流环调节、生成功率开关管PWM信号等功能。
5 实验结果分析
本文选用无刷直流电机参数：额定电压24V，额定电流8.3A，额定功率200W，极对数为2对极，额定转速2000r/min，负载为风机扇叶。
用方波控制时，相电流大致为方波，换相期间相电流波动较大，相电流的波动引起换相转矩脉动，从而降低电机运行效率。采用矢量控制时，相电流为正弦波，相电流不会出现突变，提高了电机运行效率。
6 总结
针对无刷直流电机，本文基于霍尔位置传感器，实现了转速和电流双闭环控制。实验结果表明，该方案能有效降低运行噪声、提高系统效率，获得较好系统稳态和动态性能，具有较高的工程应用价值。
参考文献
[1] 刘颖，郭鸿浩，周波.永磁无刷直流电机角加速度估计[J].电工技术学报，2014，29（05）：94-104.
[2] 王强，王友仁，孔德明.隐极式无刷直流电机转子初始位置估计[J].国电机工程学报，2012，32（33）：105-110.
[3] 卢彬芳.基于DSP的永磁同步电机控制系统的研究[D].杭州：浙江大学，2014.
作者简介
肖一鸣，男，硕士研究生，研究方向为无刷直流电机控制。
高军礼，男，副教授，研究生导师，研究方向为电机控制、开关电源、以太网等。
[关键词]无刷直流电机； 矢量控制； 霍尔位置传感器； 转子位置估算
中图分类号：S509 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）16-0210-01
1 引言
无刷直流电机具有结构简单、效率高、调速范围宽等优点，现已广泛应用在风机、泵类电机驱动系统中。在无刷直流电机控制[1-5]中，通常采用安装位置传感器的方法获取转子位置信息，通常选择霍尔传感器，结构简单、成本低、维护简单，但位置检测精度低。在低成本、中小功率无刷直流电机设计中，常常采用短距分数槽绕组，其反电动势波形比较接近正弦波，本文所讨论的正是基于反电动势为准正弦波的无刷直流电机。近年来，许多科研人员开始研究采用正弦波驱动无刷直流电机的方法，其中常用的正弦波驱动方法[7-10]为简易正弦波（SP-WM）方法和磁场定向控制（简称矢量控制，FOC）方法。
由于电机绕组为感性负载，电机相电流因滞后反电动势无法获得最大转矩，因此，需要设置超前角调整电压相位，使生成的相电压超前于反电动势。矢量控制把定子电流解耦分为产生磁场和产生转矩分量两部分，建立电流环，直接控制相电流的相位和幅值，本质为电流环控制，算法实现复杂，控制精度更高。矢量控制在整个控制过程中，都比較容易实现高效率和大转矩的输出。近年来，随着高性能、低成本微控制器的出现，复杂控制算法变得容易实现。因此，本文采用矢量控制方法实现无刷直流电机正弦波控制。
2 系统方案
本方案运用霍尔位置传感器获取转子位置信息，从而实现无刷直流电机的矢量控制，矢量控制系统主要由以下几个模块组成：速度环、电流环、矢量控制算法模块和转子位置估算模块。
速度环主要进行速度计算和速度PI调节。速度是通过定时器对霍尔信号的捕获值计算得到的，因此为了确保速度的准确性，对捕获值进行平均滤波处理（即取最近三次或六次的捕获值计算）。计算出转速后，将给定速度与计算速度相减，差值作为速度PI调节器的输入。
矢量控制算法采用SVPWM调制方式，主要因为SVPWM调制方式的电机控制效率高、谐波抑制能力好、母线电压利用率高。
方案中采用霍尔位置传感器实现转子位置估算，3个霍尔位置传感器信号接到STM32器定时器的输入引脚，使用定时器捕获功能，既更新了转子相位角，还可以得到位置信号半周期捕获值。通过定时器捕获功能设置，位置信号可以选择每隔60°或120°电角度更新一次。
3 系统硬件设计
无刷直流电机矢量控制硬件系统主要由无刷直流电机、电源、驱动电路、控制电路、电压检测电路、电流检测电路、数码管显示电路、霍尔位置信号检测电路等共同组成。功率驱动电路主开关器件采用高性能功率MOSFET，控制电路的主控制芯片采用STM32F103CB，通过控制电路采集电压、电流、位置信号，从而运用这些采集的信号完成矢量控制算法，同时控制电路根据得到的外部信号可以实现电机起停控制。
4 系统软件设计
系统软件设计由主程序和中断程序以及两部分组成。主程序设计实现应用和故障控制相关功能，包括控制各模块的初始化以及程序循环执行的状态机制。ADC转换结束中断程序是整个软件的核心部分，在中断程序中实现转子位置估算矢量控制算法。
4.1 转子位置估算
假设转子在当前扇区的瞬时速度等于前一扇区的平均值，可得转速和电角度计算公式
由于速度计算误差原因，当霍尔信号跳变时，会出现估算角度不等于校正角度的情况.此时，采用强制校正转子位置会导致扇区切换时转子位置发生突变，为了使转子位置不产生突变，可以选择线性角度校正方法，线性角度校正方法实现过程如下：
在换相瞬间不强制校正转子位置，而是计算出估算转子角度与校正点角度的差值，误差很小时，选择强制校正方法。如果误差超过一定范围，可以通过若干PWM周期进行过渡，这样相当于把角度突变进行平滑处理，实现转子位置变化的平稳性，同时避免累积误差的产生。
4.2 矢量控制算法
在每个PWM周期内，完成转子位置估算、相电流、相电压等模拟量采样、转速环和电流环调节、生成功率开关管PWM信号等功能。
5 实验结果分析
本文选用无刷直流电机参数：额定电压24V，额定电流8.3A，额定功率200W，极对数为2对极，额定转速2000r/min，负载为风机扇叶。
用方波控制时，相电流大致为方波，换相期间相电流波动较大，相电流的波动引起换相转矩脉动，从而降低电机运行效率。采用矢量控制时，相电流为正弦波，相电流不会出现突变，提高了电机运行效率。
6 总结
针对无刷直流电机，本文基于霍尔位置传感器，实现了转速和电流双闭环控制。实验结果表明，该方案能有效降低运行噪声、提高系统效率，获得较好系统稳态和动态性能，具有较高的工程应用价值。
参考文献
[1] 刘颖，郭鸿浩，周波.永磁无刷直流电机角加速度估计[J].电工技术学报，2014，29（05）：94-104.
[2] 王强，王友仁，孔德明.隐极式无刷直流电机转子初始位置估计[J].国电机工程学报，2012，32（33）：105-110.
[3] 卢彬芳.基于DSP的永磁同步电机控制系统的研究[D].杭州：浙江大学，2014.
作者简介
肖一鸣，男，硕士研究生，研究方向为无刷直流电机控制。
高军礼，男，副教授，研究生导师，研究方向为电机控制、开关电源、以太网等。