無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)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(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)胡 波, 徐國(guó)卿, 康勁松(同濟(jì)大學(xué)電氣工程學(xué)院,上海 200331摘 要:設(shè)計(jì)了一種無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)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(hào)處理器(DSP,采用反電勢(shì)法實(shí)現(xiàn)了燃料電池轎車(chē)空調(diào)的無(wú)刷直流電機(jī)控制。整個(gè)系統(tǒng)集成度高,控制靈活,穩(wěn)定性好。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)運(yùn)行性能良好。關(guān)鍵詞:無(wú)刷直流電機(jī);無(wú)位置傳感器控制;反電動(dòng)勢(shì)中圖分類(lèi)號(hào):TM301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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(wú)刷直流電機(jī)(br ush less DC m o tor,簡(jiǎn)為BLDC M具有調(diào)速性能好、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn),在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。轉(zhuǎn)子位置傳感器對(duì)于BLDC M正

5、常工作具有十分重要的作用,它為電機(jī)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(jī)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(chǎng)合,位置傳感器的信號(hào)會(huì)受到干擾,使系統(tǒng)的性能降低。因此,研究BLDC M無(wú)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(diǎn)之一。1 無(wú)位置傳感器BLDCM控制技術(shù)1.1 轉(zhuǎn)子的定位和起動(dòng)BLDC M在靜止或低速時(shí)感應(yīng)電勢(shì)為零或很小,很難用來(lái)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的位置,因此必須利用其他方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行定位和起動(dòng)控制。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無(wú)位置傳感器BLDC M轉(zhuǎn)子的定位和起動(dòng)研究主要集中在以下幾種方法:三段式起動(dòng)方法、預(yù)定位起動(dòng)法、脈沖檢測(cè)

6、起動(dòng)法、外部硬件電路起動(dòng)方法等。本課題采用預(yù)定位起動(dòng)法。預(yù)定位起動(dòng)法分為轉(zhuǎn)子定位、他控同步加速運(yùn)行、自控同步運(yùn)行三個(gè)階段。在起動(dòng)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(shí)用端電壓反電動(dòng)勢(shì)法檢測(cè)各觸發(fā)組合狀態(tài)所對(duì)應(yīng)開(kāi)路相的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn),并通過(guò)提高P WM占空比逐漸提高電機(jī)的外施電壓1。1.2 轉(zhuǎn)子磁極位置檢測(cè)方法無(wú)位置傳感器BLDC M的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法有以下5種:反電動(dòng)勢(shì)法、電流法、狀態(tài)觀(guān)測(cè)器法、人工智能法和磁鏈函數(shù)法。前3種方法的研究相對(duì)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(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)或利用反

7、電動(dòng)勢(shì)直接檢測(cè)換相點(diǎn)的方法是最常用的位置檢測(cè)方法。其實(shí)現(xiàn)拓?fù)潆娐范嗖捎枚穗妷悍ɑ蛳嚯妷悍?即在一定的調(diào)制方式下利用無(wú)刷直流電機(jī)的端電壓或相電壓檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)或換相點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)換相控制。反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)法又分為直接反電動(dòng)勢(shì)法、21 控制與應(yīng)用技術(shù) EMCA 2007,34(5反電動(dòng)勢(shì)積分法和定子三次諧波法等幾種。直接反電動(dòng)勢(shì)法(也稱(chēng)端電壓反電動(dòng)勢(shì)法是通過(guò)測(cè) 量三相繞組的端電壓與中性點(diǎn)電壓實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)某相端點(diǎn)電位與中性點(diǎn)電位相等時(shí),則此刻該相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零,反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零后再延時(shí)30 電角度即為觸發(fā)功率開(kāi)關(guān)管進(jìn)行換向的時(shí)刻4。1.2.1 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)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(jī)學(xué)原理可得出三相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)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(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)附近是等效的5。由于系統(tǒng)采用P WM 方式,所以檢測(cè)到的端電壓信號(hào)中將包含大量的斬波成分。因此在實(shí)際應(yīng)用中一般將端電壓U a

9、、U b 和U c 先進(jìn)行分壓,再經(jīng)過(guò)低通濾波,由此得到檢測(cè)信號(hào)U ao 、U bo 和U co 。本系統(tǒng)采用如圖1所示的檢測(cè)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(jì)電機(jī)的端電壓信號(hào)中不僅包含有反電動(dòng)勢(shì)信圖1 反電動(dòng)勢(shì)法端電壓法檢測(cè)電路號(hào),而且還含有斬波信號(hào)。斬波信號(hào)的存在會(huì)嚴(yán)重干擾反電動(dòng)勢(shì)波形,使得過(guò)零點(diǎn)不明確,因此在反電動(dòng)勢(shì)位置檢測(cè)電路中

10、一般都會(huì)增加低通濾波電路(見(jiàn)圖1。然而濾波器的引入必然會(huì)產(chǎn)生相移,因此在實(shí)際應(yīng)用中必須對(duì)換相時(shí)刻進(jìn)行適當(dāng)?shù)南辔恍拚Ｓ蓤D1可方便地算出檢測(cè)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(dòng)勢(shì)頻率, 為相角延遲。按基波計(jì)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(jí)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(shí)還與輸入信號(hào)的頻率有關(guān),所以在調(diào)速過(guò)程中必須動(dòng)態(tài)地進(jìn)行相位補(bǔ)償。在大的調(diào)速范圍內(nèi),相位延遲角一般都超過(guò)30

11、,此時(shí),延遲30- 進(jìn)行換相的原理已經(jīng)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。針對(duì)這一問(wèn)題本文在軟件設(shè)計(jì)時(shí)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(cè)電路BLDC M 的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路中,采用3個(gè)比較器電路檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn),如圖3所示。其中,R 1=R 3=R 5,R 2=R 4=R 6,并且R 2>R 1。將電機(jī)的三相端電壓信號(hào)與中心點(diǎn)電壓信號(hào)比較的3個(gè)結(jié)果分別輸入至DSP 的3個(gè)捕獲中斷端口,從而DSP 在一個(gè)周期內(nèi)可捕獲到6個(gè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)。 圖3 轉(zhuǎn)子位置硬件檢測(cè)電路2 控

12、制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 無(wú)位置傳感器BLDC M 的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由BLDC M 、主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制模塊、端電壓檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)子位置硬件檢測(cè)電路等組成。圖4為整個(gè)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(mén)狗電路、輸入輸出調(diào)理電路等;驅(qū)動(dòng)電路包括了故障保護(hù)電路;主電路采用三菱公司的I P M 模塊。端電壓檢測(cè)電路和轉(zhuǎn)子位置硬件檢測(cè)電路分別見(jiàn)圖1和圖3。 圖4 電機(jī)控制系統(tǒng)框圖3 試驗(yàn)結(jié)果和波形按照?qǐng)D4的系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)硬件,采用375V 直流電源供電,對(duì)用于電動(dòng)轎車(chē)額定功率為3k W 、極數(shù)為4的空調(diào)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。電機(jī)從起動(dòng)到他控升速再到自控狀態(tài),都能平滑切換

13、并正常運(yùn)行,其運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍為10005000r/m i n 。圖5和圖6是空調(diào)電機(jī)的試驗(yàn)波形。圖5中,中心點(diǎn)波形為圖3中U n 處的波形,A 相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零比較信號(hào)為圖3中S a 處的波形。圖6中各相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零比較信號(hào)為圖3中S a 、S b 、S c 處的波形。試驗(yàn)證明,采用端電壓反電動(dòng)勢(shì)法檢測(cè)空調(diào)無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的方法是切實(shí)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(diǎn)電壓波形;4-A 相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零比較波形圖5 3000r /m i n 時(shí)空調(diào)電機(jī)試驗(yàn)波形1-A 相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零比較信號(hào);2-B 相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零比較信號(hào);3-C 相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零比較信號(hào)圖6 3000r /m i n 時(shí)各相反電勢(shì)過(guò)零比較信號(hào)參考文獻(xiàn)1 吳筱輝,程小化,劉杰.反電勢(shì)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的無(wú)刷直流電機(jī)起動(dòng)方法J.微電機(jī).2005,38(4:79-81.2 董富紅,沈艷霞,紀(jì)志成.永磁無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器估計(jì)方法綜述J.微電機(jī).2003,36(5:39-46.3 OGA S AW ARA S S ,AKAG I H.A n appro