无刷直流电动机无位置传感器控制技术.docx

无刷直流电动机无位置传感器控制技术lihan导语：无刷直流电动机bldcm以电子换相器取代了常规的机械换相器，依靠位置信号来控制电子换相器。无刷直流电动机bldcm以电子换相器取代了常规的机械换相器，依靠位置信号来控制电子换相器。位置信号对整个系统的正常工作起着非常重要的作用，直接影响电机能否正常换相，能否到达最大出力。目前检测永磁电机转子位置的检测元件多种多样123，包括电磁式、光电式、磁敏式、接近开关式等,其中最常用的有旋转变压器、光电编码器、磁性编码器、霍尔元件等45。但是不管哪种位置传感器，都存在一些弊病。首先是位置传感器难于安装于在有限的电机内部空间里，且维修困难;其次安装位置传感器会增加电机的体积和本钱;同时增加了转轴的惯量;系统的连线增加，降低了系统的抗干扰才能;在某些高温、振动或强腐蚀性环境，位置传感器会降低系统可靠性或者根本无法安装。align=center图1反电势过零点与换相时刻图/align无位置传感器方式不直接检测转子位置，而是通过对电机的磁链、电流和电压等物理量，进展相应的处理间接地获得转子位置。bldcm的无位置传感器控制技术迅速兴起，成为今后bldcm控制的开展趋势,尤其在小型、轻载起动条件下，无位置传感器无刷直流电机成为理想选择并具有广阔的开展前景。bldcm的无位置传感器控制的关键技术在于转子位置信息的获得及估计方法，近年来国内外文献介绍的无位置检测方法主要包括反电动势过零点检测方法、反电动势三次谐波积分检测法、续流二极管监测法、反电动势积分法、磁链估计法、扩展卡尔曼滤波法、电感测量法、电流法、涡流效应检测法等6789。本文针对使用反电势过零点检测转子位置的无传感器bldcm系统，讨论了其换相策略、起动控制方案，并进展了仿真研究。反电势过零点法检测转子位置bldcm一般采用集中式定子绕组，以获得良好的梯形波反电势。该反电势在一个周期内有两个过零点，且每个过零点都超前下个换相点30°电角度。只要能检测到反电势的过零点就可以确定电机转子的位置和下次换相的时间。这就是反电势过零点检测法的根本原理，可知检测开路相如图2所示u相的反电动势就可以获得适宜的定子绕组换相时刻。align=center图2端电压反电势过零点检测示意图/align但是定子绕组的反电势难以直接检测，在实际应用中，通常采用变通形式检测反电势过零点。利用“相电压法和“端电压法即通过测量相电压或者端电压间接的获得反电势的过零点信息。图2中，定子绕组v相和w相馈电，u相为开路相，其相电压vun即是u相的反电势eu，因此只要检测出u相的相电压过零点就可得到u相反电势的过零点，这就是所谓的“相电压法。但测量相电压要求电机引出中心线，实用中颇受限制10。假设定子三相绕组的阻抗都相等，即:zu=zv=zw=z1那么中心点n的电势为:因此只要测量到vx-vs/2的过零时刻，即可间接的得到eu的过零时刻。这就是“端电压法。类似地可以得到eu的另一个过零点及ev和ew的所有过零点。“端电压法需要电机引出中心线，简单、灵敏，然而电机端电压信号中不仅包含电机反电势信号，而且含有斩波信号，斩波信号会严重干扰反电势波形，使得过零点不明确，因此必须选择适宜的低通滤波器进展滤波。实际的位置检测信号是经过阻容滤波后得到的，其过零点必然会产生相移，使位置检测不准确，应用中还必须进展适当的相位修正。反电势过零点检测法在电机静止或者低速运转时会产生一定的误差，一般用于10%额定转速以上，低于此转速时，需采用其他检测措施11。本文中采用“端电压法获得反电势过零点。无位置传感器的换相策略无位置传感器的bldcm控制，转子位置采用反电动势过零点检测法。因此，在电机换相控制时，就要根据反电势过零点的信息确定电机的换相时刻11。通过图1可知，反电动势过零点延时30°电角度即为换相时刻。然而，一般检测反电动势过零点采用“端电压法，在检测端电压时为了抑制干扰信号对过零点的影响，通常采用无源滤波器对端电压进展滤波，但由于滤波之后的信号比实际的端电压信号滞后了90°电角度。这样，检测到的过零点信号恰好可以作为电机的换相信号。这种方法比拟简单，但换相时刻确实定受转速的影响较大，只有在一定的转速范围内才能使过零点延时准确，超过范围将导致电磁转矩脉动增大，严重时导致电机失步。所以使用时需要通过复杂的补偿手段。假如采用软件的方式端电压的抗干扰，换相时刻确实定可以直接检测到过零点延时30°即t/12。详细控制方法是:利用控制器的定时器对两次反电势过零点之间的间隔即60°t/6进展计时，进而计算逆变周期。这种方法在加速和减速经过中需要进展软件补偿，才能得到最正确换相时刻。无位置传感器的预定位式起动无刷直流电机在静止或者转速很低的情况下，反电动势为零或者很小，无法被用来判定转子的位置，因此采用反电动势法控制的电机需要采用特殊的起动技术。以往多采用“三段式起动，即经历预定位、升速和运行状态切换三个阶段。先进展转子初始位置确实定，再逐渐减小逆变器功率管各触发状态的保持时间，并不断进步外加电压，使电机按照预定的优化加速曲线加速，之后再切换到自控状态。这种方法要求:根据检测到的反电动势所确定的功率管触发信号的时序必须与已确定的逻辑导通时序相对应，保证位置检测信号可靠，准确反映出转子的实际位置;切换条件设计公道，使电机及早切换至自同步运行状态。这种方式的缺乏之处在于需要优化加速曲线，起动控制比拟繁琐12。目前多采用预定位式起动，起动的详细控制经过如下:强迫预定位，即不管转子在什么位置，给电机一个确定的通电状态，电机定子合成磁势在空间上有一确定的方向，只要保证通电的时间过长就可以把转子磁极拉到与定子合成磁势轴线重合的位置;起动，按照设定的转动方向依次改变逆变器功率管的导通顺序，同时用“端电压法检测开路相的反电动势过零点，并且通过进步电机pwm的占空比来逐渐进步电机的外加电压。预定位式起动经过中功率管导通的时间最大值保持不变，设为t0该时间以最小起动速度确定。采用计时器来进展计时，固定在t0/2时刻换流，换流后检测开路相的反电势过零点。只要检测到开路相的反电动势过零点，或者计数器计时到，计数器复位重新开场计时，到t0/2时再次换流。依次进展换流，假如连续n次检测到开路相的反电动势过零点，就可以切换到自控式状态，起动经过时序图如3所示。align=center图4无刷直流动机无位置传感器仿真系统图5反电动势与量化数据之间的关系/align该控制方法要求连续n次检测到开路相的反电势过零点之后，才从他控方式切换到自控方式，是为了防止干扰等引起的误检测并且使电机的转速趋于稳定，以确保起动经过顺利完成。该方法起动可靠性好，控制方法简单而且无需外加专门的起动电路。该方法在使用时还应留意:刚开场起动时外加电压不要太高，否那么可能造成转子受力过大转过确定的预定位置而使过零点难以被检测到，进而延长起动经过，甚至是起动失败;起动经过中要保证外加电压稳步上升，以保证转速稳定。无位置传感器bldcm的仿真目前，对bldcm系统的仿真多数是针对有位置传感器的进展的。为了便于研究无刷直流动机无位置传感器的控制策略，本文设计了反电动势过零法检测转子位置的无刷直流电动机仿真研究平台。该系统中，设计方法是将每相反电动势进展量化为三个确定的值，分别表示反电势处于不同的阶段，反电动势与量化数据之间的关系如图5所示。三相反电动势量化的六个编码对应转子的六个位置，用来控制逆变器换流13。align=center图6无位置传感器转子位置检测模块/align反电动势检测模块如图6所示。三相反电动势输入该模块首先进展量化之后将量化之后的值转化为-1、0、1再与转速调节器输出的参考电流信号一起输入s函数，s函数根据反电动势的编码通过设定三相的参考电流来控制换流，实现无传感器控制的功能1415。由于bldcm起动时反电动势还未建立，不能通过检测反电动来控制电机的换相。所以本系统起动时采用有位置传感器方式控制电机换相，当系统进入稳态反电动势形成，在切换到无位置传感器控制方式，目前是通过控制仿真时间来切换的，还有待进一步改善。本文对通过反电动势检测转子位置模型仿真进展了仿真，通过检测反电动势可以控制电机正确换相，且系统对扰动和调速响应都比拟理想。仿真中bldcm电机参数设置为:定子相绕组电阻r=1，定子相绕组自感l=0.03h，互感m=-0.0065h，转动惯量j=0.007kg.m2，额定转速ne=2500r/min，极对数pn=1。系统在0.2s时切换到无位置传感器控制，起动时负载转矩tl=1nm，转速给定为80rad/s，当仿真到t=0.5s时突加转速给定到140rad/s。a相反电动势、相电流仿真波形如图7、图8所示。系统转速响应、转矩响应波形如图9、图10所示。通过仿真结果可知，本文提出的通过检测反电动势的状态确定转子位置，控制电机换相的模型是可行的。电机可以跟随给定转速运行，可以实现无位置传感器控制，为今后进一步研究无位置传感器控制策略提供了仿真模型。不过从响应的转矩曲线看出，无位置传感器控制时电机的转动脉动较大，还有待深化研究。align=center图7a相反电势波形图8a相电流波形图9转速响应曲线波形/align本文采用广泛使用的检测反电势过零点电机转子位置的方法，讨论了这种无传感器bldcm系统的换相策略、pwm调制控制方式、起动控制方案，并建立了仿真研究平台。结果说明，该平台为今后进一步研究无位置传感器控制策略提供方便，在起动控制方面还有待进一步改善。