分子泵用無位置傳感器無刷直流電機控制器設計

王彥劼 李強 陶繼忠

摘要：首先介紹了無刷直流電機的基本模型和特性，對無位置傳感器控制方式的基本原理進行研究。隨后據此設計了一種分子泵用無位置傳感器無刷直流電機控制系統，該系統采用反電勢過零點檢測方法獲取轉子位置信息，以進行換相邏輯控制，改進了電機的預定位及啟動方式，降低了分子泵電機結構設計的復雜度，提高了分子泵的可靠性。接著從硬件設計和軟件控制策略部分詳細介紹了該控制系統。最后在實驗平臺上進行驗證。使用所設計的控制器對分子泵進行驅動實驗，結果表明，分子泵能夠穩定啟動并進入額定工作狀態，分子泵額定轉速可達90?000?r/min，且轉速波動可穩定在±60?r/min內。

關鍵詞：無位置傳感器；無刷直流電機；分子泵；電機控制器

中圖分類號：TM33 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.02.011

文章編號：1006-0316 （2024） 02-0065-07

Design of Positioning Sensor-lessBrushlessDCMotor Controllerfor Molecular Pumps

WANG Yanjie，LI Qiang，TAO Jizhong

（ Institute of Machinery Manufacturing Technology， China Academy of Engineering Physics，Chengdu?610200，?China?）

Abstract：Firstly， this article introduces the basic model and characteristics of brushless DC motors and studies the basic principles of positioning sensor-less control methods. Then， a position sensor-less brushless DC motor control system for molecular pumps is designed based on this method. The system uses the zero crossing detection method of back electromotive force to obtain rotor position information to perform commutation logic contro. The design improves the predetermined position and start mode of the motor， reduces the complexity of the structural design of the molecular pump motor， and improves the its reliability. Subsequently， the control system is introduced in detail from both the hardware design and software control strategies. Finally， verification is conducted on the experimental platform.The controller designed is used to drive the molecular pump. The results show that the molecular pump can start stably and enter the rated working state. The rated speed of the molecular pump can reach 90?000?r/min and the speed fluctuation remains stable within the range of ±60?r/min.

Key words：positioning sensor-less；brushless?DC?motor；molecular pump；motor controller

分子泵是一種真空獲得設備。分子泵的抽速、壓縮比等體現工作性能的參數與其轉子轉速成正相關^[1]。分子泵的主軸轉速很高，每分鐘能達到幾萬轉，而高速無刷直流電機的特點正好可以滿足分子泵的需求，目前國內研制的分子泵轉速一般在20?000～80?000?r/min。在分析儀器應用中，分子泵內部氣體成分復雜，有傳感器無刷直流電機可靠性較低，所以國內外分子泵控制方式主要采用無位置傳感器控制方式。研究人員對分子泵的研究主要集中在分子泵的結構設計以及無位置傳感器無刷直流電機控制方式方面，特別是對無位置傳感器無刷直流電機的控制方式、位置檢測方式優化、換相校正方面^[2-3]。

無刷直流電機有著結構簡單、扭矩大、效率高、體積小、易維護等優點，被廣泛應用于航空航天、精密儀器、工業設備以及家用設備等領域^[4-6]。無刷直流電機一般是通過霍爾傳感器、電磁式傳感器等獲取轉子的位置信息，以實現六步換相策略^[7-8]。這種方法簡單成熟，但安裝傳感器會使電機結構復雜，增加安裝成本，還會導致系統的可靠性降低。傳感器實際安裝的誤差還會引起檢測到的三相位置反饋信息不對稱，從而導致轉速和轉矩波動^[9-11]。分子泵運行時電機轉速較高，且工作環境復雜，有傳感器控制方案可能使分子泵在惡劣工況下無法正常運行，且不滿足可靠性要求，而采用無位置傳感器控制方式控制無刷直流電機可以改善電機在復雜工況下的穩定性和可靠性^[12-13]。

無位置傳感器控制方式是通過采集端電壓、相電流以及磁動勢和反動電勢等信號以提取位置信息。一般的無位置傳感器控制方法有反電勢法、電感法、磁鏈法、狀態觀測器法和神經網絡法等^[14-18]。其中反電勢法算法簡潔，易于實現。而其他方法算法較為復雜，計算量較大。本文設計的控制器采用的是基于相反電勢過零點檢測法的控制策略。

本文對分子泵用無位置傳感器無刷直流電機的控制器進行研究。首先介紹無刷直流電機的反電勢特性以及基于此特性的無位置傳感器無刷直流電機控制方法，隨后詳細介紹控制系統的硬件電路模塊設計和軟件控制策略，最后對分子泵進行測試并對實驗結果進行分析，得出研究結論。

1 無刷直流電機的反電勢特性

無刷直流電機的原理圖和反電勢特性分別如圖1、圖2所示。電機運行時，同一時刻只有兩相導通，由于轉子磁感應強度為梯形分布，可以通過測量非導通相的反電勢得到其過零點，并據此估計轉子的位置信息。電機采用六步換相方式，定子繞組每隔60°電角度按照邏輯表由V₁～V₆依次循環導通進行換相。

U₀為直流驅動電壓；n為實際中性點；m為虛擬中性點；R為電阻；L為電感；V₁～V₆為MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金屬氧化物半導體場效應晶體管）；A、B、C為三相繞組引出端點；E_A、E_B、E_C為A、B、C三相的反電勢。

Z₁～Z₆為周期內六個過零點。

以圖2中電角度30°～90°的過程為例，高壓側MOSFET“V₁”處于PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）狀態，低壓側MOSFET“V₆”處于導通狀態，為H_PWM－L_ON導通模式。電流從電機A相流入，從電機B相流出，此時A相繞組和B相繞組導通，C相懸空。在電機運行過程中，轉子旋轉會使每相繞組都產生感應反電勢。在電角度為60°時，C相繞組反電勢過零點。由于理想換相點和上一反電勢過零點之間有30°電角度的相位差，所以需采用30°電角度延遲換相的方法，即在90°時進行換相。

理想情況下，可以通過中性點電壓和端電壓之差來獲取相電壓，電機模型中繞組的實際中性點如圖1中n點所示。以C相為例對繞組電壓方程進行說明，當A、B兩相導通時，C相不導通，此時C相的相電壓可表示為：

（1）

式中：為C相的反電勢；為C點和地之間的電壓；是n點和地之間的電壓。

但是在電機生產制造時一般不會將中性點單獨接出，而是將其隱藏在定子繞組中，無法直接測量中性點與地之間的電壓。為了測得反電勢，在A、B、C三點處外接三個阻值相等的電阻組成一個星型網絡，并引出虛擬中性點m。由此可得：

（2）

式中：為虛擬中性點m和地之間的電壓。

實際應用中，虛擬中性點m的電壓近似等于實際中性點n的電壓值，所以通常以測量繞組端電壓與虛擬中性點m之間的電壓差的方法獲取虛擬相電壓，并將其近似等效為相反電勢。通過對虛擬反電勢的過零信息進行分析獲得位置信號。

2 控制器硬件設計

無刷直流電機的整體控制系統框圖如圖3所示，主要由兩部分組成。其中，控制及調速模塊通過控制電路實現速度調節和換相邏輯控制，通過驅動電路對電機進行驅動；位置檢測模塊主要是通過獲取反電勢過零信號來估計轉子位置，并反饋給控制電路，計算得到轉速并更新換相邏輯狀態。

ω為設定轉速；為當前估計轉速；i為根據速度計算出的期望電流大??；為當前導通狀態；G為換相控制邏輯；U_x為某一相的端電壓；BLDCM（brushless?DC?motor）為無刷直流電機。

圖3 無刷直流電機速度和轉子位置估計系統框圖

2.1 控制及調速模塊

控制及調速模塊選用專用于電機控制的16位高性能數字信號控制器dsPIC30F系列芯片作為主控芯片，并采用三相全橋式逆變電路對電機進行驅動。逆變電路中，高壓側MOSFET采用PWM模式，低壓側MOSFET采用恒通模式（H_PWM－L_ON模式）。由于dsPIC30F直接輸出的PWM信號電壓低、功率小，驅動能力不足，無法直接驅動無刷直流電機，所以需要在外圍電路中搭建額外的驅動電路，提高PWM信號的驅動功率。驅動電路采用IR2103驅動芯片搭建。此外，可以通過在IR2103周圍設置自舉電路來提供自舉浮動電源。這樣，只需要一個電源就可以通過3個IR2103驅動6個MOSFET，從而簡化了驅動電路，節省了電源?？刂萍膀寗硬糠蛛娐吩韴D如圖4、圖5所示。

2.2 反電勢過零點檢測模塊

逆變電路調制模式采用H_PWM－L_ON模式，在此模式下可以得到中性點電壓方程為：

（3）

式中：為三相端電壓平均值；和為其中任意兩相的反電勢；為PWM信號。

PWM信號影響著中性點電壓的檢測，對反電勢過零檢測有很大影響。例如，PWM噪聲可能錯誤地觸發過零信號，導致電機在錯誤時間換相，從而導致電機失步。為減小PWM對反電勢的干擾，本文設計一個低通RC（Resistance-?Capacitance，電阻－電容）濾波電路，如圖6所示，可得：

（4）

（5）

式中：為限流電阻值；為濾波電阻值；為低通濾波電容；j為復數虛部；α為RC濾波電路引起的相位延遲；f為轉子的頻率。

由式（5）可知，濾波器相位延遲受轉子頻率的影響。因此可以在0～90?000?r/min內的多個速度區間對換相信號進行相位補償。實驗證明，此低通RC濾波電路能有效濾除高頻PWM信號產生的干擾。

采集到三相端電壓信號及虛擬中性點電壓信號后，就可通過電壓比較電路獲得反電勢過零點信息。將三相端電壓和虛擬中性點電壓作為電壓比較器的輸入信號，當同相端電壓大于反相端電壓時，比較器輸出高電平，反之輸出低電平。比較器輸出信號輸入到光耦，經光耦隔離后將輸出信號S_A、S_B、S_C輸入到主控芯片。

U_A、U_B、U_C為圖1A、B、C點和地之間的電壓；S_A、S_B、S_C為光耦輸出信號；U_a、U_b、U_c為三相端電壓；1、2、3、4、8為放大器相應引腳。

圖6 反電勢過零檢測電路的原理圖

2.3 電路中的相位延遲

理想情況下，電機應當在過零點30°電角度后進行換相。通過dsPIC30F4011的定時器測量相鄰兩次過零事件發生的時間間隔，這一時間間隔對應60°電角度的時間。定時器計數值的一半對應30°電角度的時間，理論上，將這個值加載到另一個定時器的控制寄存器中，可用作換相定時器。當這一用于換相的定時器計數到寄存器中的值時產生中斷，在中斷服務程序中進行換相，則電機繞組就可以準確切換到下一個狀態。

但是，實際電路中存在各種因素帶來的相位延遲。首先是RC濾波電路的相位延遲，這是相位延遲的主要部分，它與電機轉速相關。其次是光耦回路中其他電子元件產生的延遲，約為60?μs。最后是控制器中斷服務程序帶來的延遲，約為1.7?μs。需從30°電角度中減去每種延遲，對換相信號進行補償后才能得到較準確的換相時刻。延遲的計算方式為：

（6）

式中：為周期寄存器的值，即檢測到過零點后下一次換相的時間；為根據速度計算得到的30°電角度對應的計數器值；為RC濾波器相位延遲；為由元件引起相位延遲；為中斷服務程序延遲。

3 控制器軟件控制策略

3.1 軟件系統框架

分子泵控制器的軟件系統主要包括初始化、中斷服務程序和子程序三部分。系統啟動時，初始化部分會對控制系統接口、定時器、狀態變量及其他參數進行初始化賦值。初始化完成后，程序進入主循環，根據輸入信號狀態機自動跳轉，調用子程序并等待中斷。中斷部分實現了電流采樣、通訊、換相、PWM中斷等重要功能。子程序部分主要實現電機的啟動及運行邏輯控制。

3.2 啟動過程

為快速準確地升速至額定轉速，電機采用了三段式啟動方法，主要包括以下過程：

（1）預定位階段。由于本文研究的電機結構中未安裝位置傳感器，轉子的初始位置未知，所以需要使轉子運動至預設位置。啟動時，將PWM占空比初始化為一個較低的值，并將無刷直流電機的兩相繞組短時間導通，可以使轉子運動至目標預設位置。為防止繞組導通時產生的磁場方向與轉子磁場方向相同或相反情況下預定位失敗，可再次切換導通的兩相定子繞組，進行二次預定位，提高預定位的成功率。

（2）開環升速階段。在低轉速時，反電勢幅值較小，不易檢測，無法識別到過零點位置信息，因此分子泵需要通過開環控制進行升速。通過設置PWM占空比和換相定時器的計數值，可以得到相應的初始電壓和升速步長。這一過程中，轉子轉速受開環控制，并無轉速反饋調節。隨著轉子轉速提高，反電勢幅值增大，控制器可以檢測到明顯的反電勢過零點信號。

（3）閉環升速階段。當通過開環升速至10?000 r/min時，程序可以在多個周期內穩定地檢測到反電勢過零點信號，通過計算可以獲得速度反饋信息。此時的速度反饋可以作為PID（Proportional-Integral-Derivative，比例－積分－微分）控制器的輸入實現對電機的閉環控制。升速過程中，為防止長時間過電流損壞電機和控制器，當電流較大時，繞組將短時間關斷，調整控制參數后再次進入升速過程。

4 實驗結果

本文在PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）上實現該電路原理，搭建了控制系統，并在實驗平臺上進行了一系列實驗，來測試控制系統的性能。分子泵及其控制器實物如圖7所示?？刂破饔布糠钟蓛蓧K電路板組成，其中大尺寸電路板為驅動板，主要實現驅動功能，小尺寸電路板為控制板，主要實現反電勢過零檢測及控制功能。

本文對分子泵控制系統進行了實驗測試，分子泵經預定位、開環加速和閉環加速這一三段式啟動過程加速至90?000 r/min。

電機80?s內可達到額定轉速90?000?r/min，穩定運行時轉速波動不超過60?r/min。分子泵啟動時的升速曲線如圖8所示，可以看出，在初始開環升速階段，電機的加速度逐步增大，分子泵在開環期間加速到10?000?r/min。在閉環升速過程中，電機的測量轉速還是會有波動，通過大量實驗證實了這與分子泵的振動有關。如果振動狀態較差，反電勢過零檢測方法將難以檢測到電機的真實轉速。

由于沒有安裝位置傳感器，為評價所設計的控制系統的性能，需采用其他輔助方法對電機轉速進行測量。本文采用了示波器和振動監測系統兩種方法對電機轉速進行測量和計算。首先是通過光耦的輸出信號，即過零檢測的結果進行測量。三相比較輸出對應的光耦合器的輸出波形如圖9所示。

S_A、S_B、S_C這三個輸出波形與比較器的輸出信號相關。在測試平臺上位機顯示結果中，電機轉速保持在90?000±60?r/min范圍內，示波器分析反饋信號頻率為1500±1?Hz。由圖9可以看出，沒有檢測到錯誤的反電勢過零事件。同時，利用振動監測系統對分子泵的徑向和軸向振動進行了監測。結果表明，其振動頻率在1500±1?Hz范圍內。這也說明電機的轉速波動在90?000±60?r/min范圍內。

5 結論

本文設計了一種用于分子泵的無位置傳感器無刷直流電機控制器。該控制器是基于反電勢過零點位置檢測方法設計。使用該控制器對分子泵進行驅動，其0～90?000?r/min升速時間為80?s，且穩態轉速誤差較小，在±60?r/min范圍內。但實驗中還存在一些不足，實驗中的振動及其他因素會對位置檢測產生一定影響，后續設計還有改進空間。

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