人工心臟無位置傳感器無刷直流電動機非導通相端電壓分析

尹成科，談雪丹

(1.蘇州大學，蘇州 215021； 2.蘇州同心醫療器械有限公司，江蘇蘇州215125)

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人工心臟無位置傳感器無刷直流電動機非導通相端電壓分析

尹成科1，談雪丹2

(1.蘇州大學，蘇州 215021； 2.蘇州同心醫療器械有限公司，江蘇蘇州215125)

人工心臟無位置傳感器無刷直流電動機輕載時，通過采集PWM關閉期間的非導通相端電壓來獲取反電勢過零點存在一定的局限。以逆變橋上管PWM調制、下管恒通的控制方法為例，理論分析了非導通相端電壓在PWM導通與關斷期間的波形，并進行了實驗。結果表明，在PWM關閉階段，非導通相端電壓會受到導通相懸空、非導通相嵌位等影響發生波動，反電勢采集時需加以注意，避免引起換相故障。

人工心臟；無位置傳感器無刷直流電動機；非導通相端電壓

0 引 言

人工心臟作為一種植入式醫療器械，通過輔助或替代衰弱的心臟實現泵血功能，是目前一種無法替代的最終治療手段[1]。作為人工心臟的核心部件之一，電機的體積和性能對人工心臟的影響巨大。無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)因其結構簡單、調速性能好、控制簡單等特點[2]，在人工心臟領域應用日趨廣泛。

BLDCM電子換相是否精準直接影響電機的性能，電子換相的依據是轉子位置是否過零點[3]。直接反電勢法[4-6]采用逆變器上橋臂PWM調制、下橋臂恒通(H-PWM-L-ON)控制策略，在PWM打開期間，非導通相端電壓為該相繞組反電勢疊加某偏置電壓，而在PWM關斷期間，非導通相端電壓近似為該相繞組的反電勢。因此在PWM打開或關閉階段采集非導通相端電壓，通過分析可以得到反電勢過零點信號。該方法無需采用額外的位置傳感器，體積小，可得到無相位滯后的反電勢過零點信息，相對傳統檢測方法，它具有反電勢過零點檢測準確、電機運行高效平穩等優點，適合應用于人工心臟BLDCM使用。

目前直接反電勢法多數是基于PWM關閉時導通相維持續流狀態、非導通相的端電壓平穩的假設。然而人工心臟在輔助天然心臟過程中，會感受到人體天然心臟搏動的沖擊，載荷在輕載到滿載之間變化。人工心臟在輕載或空載運行時，PWM占空比較低，電機繞組內的電流較小，可能會有PWM關閉時導通相續流結束的狀態存在。同時，非導通相則可能出現因反電勢幅值變化導致其上下橋臂的二極管導通，產生被嵌位現象。上述現象都會引起非導通相端電壓產生波動，影響反電勢過零點判斷。為此，本文以人工心臟電機為應用對象，從理論上分析非導通相端電壓波形變化情況。實驗結果顯示，PWM關閉階段，非導通相端電壓會受到導通相懸空、非導通相嵌位的綜合影響而產生波動，在采集非導通相端電壓采集數據時需考慮避開上述波動范圍。

1 BLDCM控制系統

人工心臟電機反電勢為正弦波，采用三相繞組星形接法，驅動電路采用三相逆變橋結構，控制采用二二導通、三相六狀態、H-PWM-L-ON的策略，驅動控制簡化圖如圖1所示。在運行過程中每相繞組導通120°電角度，任意時刻只有兩相繞組通電，第三相繞組處于非導通狀態。每一個PWM周期內，電機控制器只采集一次非導通相端電壓，低占空比時在PWM關斷(PWM-OFF)階段采集，高占空比時在PWM打開(PWM-ON)階段采集。從所采集的非導通相端電壓中提取反電勢過零點時刻，指導電機正確換相。由于換相時續流會導致非導通相端電壓波形異常，通常該階段時間較短，因此等待此續流階段結束，再進行反電勢過零點信息處理?；诖?，本文不考慮換相續流階段的情形，僅對非換相續流階段的非導通相端電壓波形進行分析。

圖1 電機驅動控制簡化圖

2 非導通相端電壓分析

假設圖1中A相與B相通電、C相非導通，對非導通相C相端電壓展開分析。其中，A相上管為PWM調制，B相下管恒導通。假設MOS管導通壓降Vmos相等，電機繞組參數相同。

2.1 PWM-ON期間

PWM-ON期間，VT1,VT4導通，C相繞組懸空，如圖2所示。中性點電壓VN與C相端電壓計算如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

化簡可得：

(5)

非導通相C相端電壓為中性點電壓與C相反電勢之和，即：

(6)

圖2 PWM-ON等效電路

2.2PWM-OFF進入續流階段

2.2.1 非導通相懸空

PWM-OFF期間，VT1關斷，VD2導通進行續流，VT4維持導通。假設C相懸空，即C相端電壓滿足下式：

(7)

此時C相的VD5，VD6均截止，如圖 3所示。有：

(8)

(9)

化簡得：

(10)

(11)

將式(11)代入式(7)得：

(12)

圖3 PWM-OFF續流期間，非導通相懸空的等效電路

2.2.2非導通相嵌位

VT1關斷，VD2續流期間，若C相端電壓不滿足式(7)，VD5或VD6導通，C相端電壓具體如下：

(a) VD6導通

(b) VD5導通

2.3PWM-OFF續流結束階段

當電機不帶載或輕載運行時，一個PWM周期內可能出現電流續流及續流結束的狀態。

2.3.1非導通相懸空

PWM-OFF期間，VT4維持導通，VD2續流結束后截止，A相進入懸空狀態。當C相端電壓滿足式(7)時，C相懸空，如圖 5所示，則有：

(13)

如果eB超前于eC120°電角度，則-eB+eC滯后于eC30°電角度，當C相端電壓為Vmos時，已經距離C相反電勢過零點滯后30°，應立即換相。

如果eB滯后于eC120°電角度，則-eB+eC超前于eC30°電角度，當C相端電壓為Vmos時，理論上需延遲60°換相。

圖5 PWM-OFF續流結束，非導通相懸空的等效電路

2.3.2 非導通相嵌位

PWM-OFF期間，A相續流結束后，若C相端電壓不滿足式(7)時，C相端電壓將被嵌位。

1) 當VC≤-VD時，VD6導通，C相端電壓被嵌位至-VD，如圖 6(a)所示。

2) 當VC≥VS+VD時，VD5導通，C相端電壓被嵌位至VS+VD，如圖 6(b)所示。

(a) VD6導通

(b) VD5導通

由上文分析可知，PWM-OFF期間，當非導通相C相端電壓被嵌位至-VD或者被嵌位至VS+VD時，無論導通相是否處于續流狀態，C相反電勢均不會出現過零點。當非導通相懸空時，則必須區分導通相是否續流，來選擇式(12)或者式(13)作為過零判斷依據。人工心臟電機采用轉速環控制，當電機輸出PWM值為一個較小值時，如果載荷大，則實際轉速低，反電勢小，續流時間較長；如果載荷小，則實際轉速高，反電勢大，續流時間較短。因此，僅依據電機PWM輸出值，無法精確獲悉續流狀態以及確定合適的PWM-OFF采樣時刻?？梢詫WM值與電機轉速相結合，僅在電機工作在低轉速并且輸出低PWM值時，采用PWM-OFF采集模式，采樣時刻與PWM關閉時刻之間的時間間隔略大于電機MOS管的關斷時間，以保證在導通相續流時采樣，并依據式(12)進行反電勢過零判斷；其余情況均采用PWM-ON采集模式。

3 實驗驗證

為了驗證本文對電機非導通相端電壓的分析，進行人工心臟電機空載實驗。電機母線電壓20V，PWM頻率31.25kHz。設置PWM占空比輸出為12.5%，C相端電壓與C相相電流在一個電周期內的波形如圖 7所示。圖中①、⑥為C相下管打開階段，③、④為C相上管打開階段，②、⑤為C相非導通階段。圖 7顯示，在C相非導通階段②、⑤期間內，因受其他相影響，C相續流二極管導通，C相被嵌位，導致C相電流非零。

圖7 一個電周期內，C相端電壓與C相相電流

圖 8顯示了A相端電壓先于C相端電壓結束續流的情形。其中A相上管PWM調制，C相非導通。圖8中a為A相續流階段，c為A相懸空階段；b為C相續流階段，此期間C相相電流非零；d為C相懸空階段，此期間C相相電流為零?？梢钥闯鯝相先于C相結束續流。由于MOS管存在寄生電容[7]，a階段期間，與A相下管的二極管并聯的寄生電容將充電；當a結束至c階段開始，該寄生電容開始放電直至A相繞組懸空為止，期間A相端電壓隨著寄生電容放電而有所波動。同樣，b階段期間，C相下管的二極管導通，同時給其并聯的寄生電容進行充電；在b結束至d階段開始之前，該寄生電容放電直至C相繞組懸空，期間C相端電壓有波動，C相相電流非零。

圖8 A相先于C相結束續流，A相端電壓、C相端電壓與C相相電流

圖 9為C相端電壓先于A相端電壓結束續流的情形。其中A相上管PWM調制，C相非導通。圖中a為A相續流階段，c為A相懸空階段；b為C相續流階段，此期間C相相電流非零；d為C相理論懸空階段，但是由于在此期間A相端電壓經歷續流結束、寄生電容放電，導致中性點電壓波動，從而使得C相寄生電容進行充放電，其電流產生波動，且超前于C相端電壓的波動。當C相寄生電容完成充放電后，C相繞組懸空，且相電流為零。

圖9 C相先于A相結束續流，A相端電壓、C相端電壓與C相相電流

由圖 8、圖 9可知，受導通相續流的影響，非導通相在PWM-OFF期間波形復雜，PWM-OFF采集時應避開波動區域?？紤]到控制策略的一致性，根據式(6)、式(12)，可以結合轉速信息、PWM值以及硬件電路特性，設置成PWM-OFF期間在導通相續流期間進行反電勢采集，使得在PWM-OFF采集模式與PWM-ON采集模式之間切換時，電機控制器只需調整采樣時刻與反電勢比較閾值，而維持反電勢過零后延時30°換相處理不變。

4 結 語

本文分析了人工心臟電機在不同階段下非導通相端電壓與反電勢的關系，給出采集非導通相端電壓的部分策略。實驗結果表明人工心臟電機在空載運行情況下，PWM-OFF期間存在導通相懸空或非導通相嵌位的現象，給非導通相端電壓帶來擾動，增加了直接反電勢法檢測PWM-OFF過零點的難度，處理時必須結合導通相續流情況，避免誤判反電勢過零點。

[1] 尹成科,談雪丹,渠文波,等.人工心臟磁懸浮系統渦電流位移傳感器的設計[J]. 傳感器技術學報, 2012, 25(4):428-431.

[2] 孟光偉,李槐樹,熊浩.無刷直流電機在脈寬調制下的轉矩脈動抑制[J]. 電機與控制應用, 2010, 37(5):21-26.

[3] 呂燚,李文生.基于反電勢直接檢測法的無刷直流電動機統計控制系統[J].微特電機,2012,40(6):42-45.

[4] SHAO Jianwen,DENNIS N,THOMAS H.A novel direct back EMF detection for sensorless brushless DC (BLDC) motor drives[C]//AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,2002,1:33-37.

[5] SHAO Jianwen,DENNIS N,THOMAS H.Improved direct back EMF detection for sensorless brushless DC (BLDC) motor drives[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition,2003,1:300-305.

[6] SHAO Jianwen,DENNIS N.Further improvement of direct back EMF detection for sensorless brushless DC (BLDC) motor drives[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition,2005,2:933-937.

[7] 周群.基于ST7MC反電勢過零檢測的電壓暫態分析及方案改進[J]. 微電機, 2008,41(8):73-75.

Study on Floating Phase Terminal Voltage in Sensorless Brushless DC Motor of Artificial Heart

YIN Cheng-ke1, TAN Xue-dan2

(1.Soochow University,Suzhou 215021,China; 2.CH Biomedical Incorporation, Suzhou 215125,China)

When the sensorless brushless DC motor (BLDCM) of artificial heart is underloaded, there are some limitations in getting back electro-magnetic force (EMF) from the floating phase terminal voltage during the PWM off time. With PWM strategy of upper bridge arm chopping only, the terminal voltage of the floating phase during the PWM on time and the PWM off time was analyzed. The experiments show that, non-excited phase terminal winding voltage is sensitive to both its own diode-clamped states and the floating state of excited phase during the PWM off time. The above states should be taken into account to achieve good commutation performance.

artificial heart; sensorless brushless DC motor; floating phase terminal voltage

2015-12-09

國家青年自然科學基金項目(51407123)；江蘇省高校自然科學研究面上項目(15KJB310020)；江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃(國家級)(201410285035Z)

TM33

A

1004-7018(2016)03-0003-04

尹成科(1980-)，男，博士，講師，研究方向為面向植入式醫療器械的無線電能傳輸、人工心臟磁懸浮與電機控制。