無刷直流電機無位置傳感器控制技術(shù)

1、 2007,34(5控制與應(yīng)用技術(shù) EMC A 無刷直流電機無位置傳感器控制技術(shù)胡 波, 徐國卿, 康勁松(同濟大學(xué)電氣工程學(xué)院,上海 200331摘 要:設(shè)計了一種無位置傳感器無刷直流電機的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于智能功率模塊(I PM和數(shù)字信號處理器(DSP,采用反電勢法實現(xiàn)了燃料電池轎車空調(diào)的無刷直流電機控制。整個系統(tǒng)集成度高,控制靈活,穩(wěn)定性好。試驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)運行性能良好。關(guān)鍵詞:無刷直流電機;無位置傳感器控制;反電動勢中圖分類號:TM301.2 文獻標識碼:A 文章編號:1673-6540(200705-0021-03R esearch on Sensorl ess Control

2、 T echnology of Brushless DC M otorH U Bo, XU Guo-q i n g, KANG J in-song(D epart m ent o f E lectrical Eng i n eering,Tong jiU niversity,Shangha i200331,ChinaAbstrac t:A k i nd o f var i able speed contro l syste m of a brus h less DC mo tor w it hout a ro tor positi on senso r is de-s i gned.Based

3、 on i nte lli gent pow er m odule(IP Mand d i g ita l si gna l processor(DSP,t h is system uses Back-EM F(e-lectro m otive forcem et hod to i m ple m en t the sensor l ess control for brush l ess DC m o t o r of h i gh vo ltag e a ir conditi oner (HVACi n FC V.T he sy stem is high l y i n teg ra ted

4、 w ith flex i ble contro l and strong reli ab ility.Experi m ental results i nd-ica te tha t th i s syste m has a high perfor m ance.K ey word s:brush less DC mo tor;sensorless con tro;l back-electro m otive force無刷直流電機(br ush less DC m o tor,簡為BLDC M具有調(diào)速性能好、體積小、效率高等優(yōu)點,在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。轉(zhuǎn)子位置傳感器對于BLDC M正

5、常工作具有十分重要的作用,它為電機提供基本換相信息。但位置傳感器存在一定的弊端,不僅增加了成本和電機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,而且在一些高精度及環(huán)境復(fù)雜的場合,位置傳感器的信號會受到干擾,使系統(tǒng)的性能降低。因此,研究BLDC M無位置傳感器控制技術(shù)是十分必要的,這也是目前BLDC M研究的熱點之一。1 無位置傳感器BLDCM控制技術(shù)1.1 轉(zhuǎn)子的定位和起動BLDC M在靜止或低速時感應(yīng)電勢為零或很小,很難用來判斷電機轉(zhuǎn)子磁極的位置,因此必須利用其他方法對電機轉(zhuǎn)子進行定位和起動控制。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對無位置傳感器BLDC M轉(zhuǎn)子的定位和起動研究主要集中在以下幾種方法:三段式起動方法、預(yù)定位起動法、脈沖檢測

6、起動法、外部硬件電路起動方法等。本課題采用預(yù)定位起動法。預(yù)定位起動法分為轉(zhuǎn)子定位、他控同步加速運行、自控同步運行三個階段。在起動階段,按照所需的轉(zhuǎn)向依次改變逆變器功率器件的觸發(fā)組合狀態(tài),同時用端電壓反電動勢法檢測各觸發(fā)組合狀態(tài)所對應(yīng)開路相的反電動勢過零點,并通過提高P WM占空比逐漸提高電機的外施電壓1。1.2 轉(zhuǎn)子磁極位置檢測方法無位置傳感器BLDC M的轉(zhuǎn)子位置檢測方法有以下5種:反電動勢法、電流法、狀態(tài)觀測器法、人工智能法和磁鏈函數(shù)法。前3種方法的研究相對比較成熟,且都已得到一定程度的應(yīng)用,而用人工智能方法和磁鏈函數(shù)法獲得轉(zhuǎn)子位置的研究還剛剛處于起步階段2,3。檢測反電動勢過零點或利用反

7、電動勢直接檢測換相點的方法是最常用的位置檢測方法。其實現(xiàn)拓撲電路多采用端電壓法或相電壓法,即在一定的調(diào)制方式下利用無刷直流電機的端電壓或相電壓檢測反電動勢過零點或換相點來實現(xiàn)換相控制。反電動勢過零點法又分為直接反電動勢法、21 控制與應(yīng)用技術(shù) EMCA 2007,34(5反電動勢積分法和定子三次諧波法等幾種。直接反電動勢法(也稱端電壓反電動勢法是通過測 量三相繞組的端電壓與中性點電壓實現(xiàn)的。當某相端點電位與中性點電位相等時,則此刻該相反電動勢過零,反電動勢過零后再延時30 電角度即為觸發(fā)功率開關(guān)管進行換向的時刻4。1.2.1 反電動勢過零點檢測公式推導(dǎo)從BLDC M 的等效電路模型出發(fā),可以得

8、到 U a U b U c=R +dd t 00R +d dt000R +d d ti ai b ic +E a E b E c+U n U n U n(1本系統(tǒng)中采用的是兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式。由電機學(xué)原理可得出三相反電動勢過零檢測方程分別為 E a E b E c=U a U b U c-12011101110U a U b U c(2或 E a E b E c=U aU b U c a U bU c (3式(2和式(3在反電動勢過零點附近是等效的5。由于系統(tǒng)采用P WM 方式,所以檢測到的端電壓信號中將包含大量的斬波成分。因此在實際應(yīng)用中一般將端電壓U a

9、、U b 和U c 先進行分壓,再經(jīng)過低通濾波,由此得到檢測信號U ao 、U bo 和U co 。本系統(tǒng)采用如圖1所示的檢測電路,則 E ao E bo E co =U ao U bo U co aoU b oU co (4式中:E xo =k E x ;其中:x =a ,b ,c ;k =R 2/(R 1+R 2;R 1=R 3=R5;R 2=R 4=R 6。1.2.2 低通濾波電路的設(shè)計電機的端電壓信號中不僅包含有反電動勢信圖1 反電動勢法端電壓法檢測電路號,而且還含有斬波信號。斬波信號的存在會嚴重干擾反電動勢波形,使得過零點不明確,因此在反電動勢位置檢測電路中

10、一般都會增加低通濾波電路(見圖1。然而濾波器的引入必然會產(chǎn)生相移,因此在實際應(yīng)用中必須對換相時刻進行適當?shù)南辔恍拚?。由圖1可方便地算出檢測電路產(chǎn)生的相移,以A 相為例,其中U a 為端電壓,U ao 為濾波后的輸出電壓,f 為反電動勢頻率, 為相角延遲。按基波計算有U aoU a=R 2R 1+R 2+j2 fR 1R 2C 1(5 =arc tan2 fR 1R 2C 1R 1+R 2(6其中,R 1和R 2數(shù)量級相同(k ,C 1取值較大( F,該電路的相移與以上器件的選取有關(guān),同時還與輸入信號的頻率有關(guān),所以在調(diào)速過程中必須動態(tài)地進行相位補償。在大的調(diào)速范圍內(nèi),相位延遲角一般都超過30

11、,此時,延遲30- 進行換相的原理已經(jīng)不能滿足設(shè)計的要求。針對這一問題本文在軟件設(shè)計時采用了的90 - 的換相原理(90 換相原理如圖2所示。圖2 90 - 延遲換相示意圖22 2007,34(5控制與應(yīng)用技術(shù) EMC A1.2.3 轉(zhuǎn)子位置硬件檢測電路BLDC M 的轉(zhuǎn)子位置檢測電路中,采用3個比較器電路檢測反電動勢過零點,如圖3所示。其中,R 1=R 3=R 5,R 2=R 4=R 6,并且R 2R 1。將電機的三相端電壓信號與中心點電壓信號比較的3個結(jié)果分別輸入至DSP 的3個捕獲中斷端口,從而DSP 在一個周期內(nèi)可捕獲到6個反電動勢過零點信號。 圖3 轉(zhuǎn)子位置硬件檢測電路2 控制系統(tǒng)硬

12、件設(shè)計 無位置傳感器BLDC M 的驅(qū)動控制系統(tǒng)由BLDC M 、主電路、驅(qū)動電路、控制模塊、端電壓檢測電路、轉(zhuǎn)子位置硬件檢測電路等組成。圖4為整個系統(tǒng)的框圖。其中控制模塊包括TI 公司的DSP 處理器T M S320LF2407、看門狗電路、輸入輸出調(diào)理電路等;驅(qū)動電路包括了故障保護電路;主電路采用三菱公司的I P M 模塊。端電壓檢測電路和轉(zhuǎn)子位置硬件檢測電路分別見圖1和圖3。 圖4 電機控制系統(tǒng)框圖3 試驗結(jié)果和波形按照圖4的系統(tǒng)框圖設(shè)計硬件,采用375V 直流電源供電,對用于電動轎車額定功率為3k W 、極數(shù)為4的空調(diào)電機進行試驗。電機從起動到他控升速再到自控狀態(tài),都能平滑切換并正常運

13、行,其運行轉(zhuǎn)速范圍為10005000r/m i n 。圖5和圖6是空調(diào)電機的試驗波形。圖5中,中心點波形為圖3中U n 處的波形,A 相反電動勢過零比較信號為圖3中S a 處的波形。圖6中各相反電動勢過零比較信號為圖3中S a 、S b 、S c 處的波形。試驗證明,采用端電壓反電動勢法檢測空調(diào)無刷電機轉(zhuǎn)子位置的方法是切實可行的。1-A 相端電壓波形;2-A 相濾波后端電壓波形;3-中心點電壓波形;4-A 相反電動勢過零比較波形圖5 3000r /m i n 時空調(diào)電機試驗波形1-A 相反電動勢過零比較信號;2-B 相反電動勢過零比較信號;3-C 相反電動勢過零比較信號圖6 3000r /m i n 時各相反電勢過零比較信號參考文獻1 吳筱輝,程小化,劉杰.反電勢法檢測轉(zhuǎn)子位置的無刷直流電機起動方法J.微電機.2005,38(4:79-81.2 董富紅,沈艷霞,紀志成.永磁無刷直流電機無位置傳感器估計方法綜述J.微電機.2003,36(5:39-46.3 OGA S AW ARA S S ,AKAG I H.A n appro