無位置傳感器無刷直流電機控制關(guān)鍵問題分析（一）

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】無位置傳感器無刷直流電機控制關(guān)鍵問題分析（一）1.引言無刷直流電機（BLDCM）完全具有傳統(tǒng)直流電機的所有優(yōu)良性能，但去除了電刷，防止了傳統(tǒng)直流電機的缺點.相較于交流感應(yīng)電機，其效率和控制性能亦有的優(yōu)勢.在機車牽引，水泵，風(fēng)扇，家電等場合得到廣泛應(yīng)用.無位置傳感器無刷直流電機在無刷直流電機的根底上進一步取消了位置傳感器，使電機構(gòu)造更為緊湊，進一步降低了電機成本，減少了電機維修費用，擴大了電機應(yīng)用場合.

但無位置傳感器無刷直流電機控制系統(tǒng)存在一些技術(shù)上的難點.無刷直流電機無論是啟動還是換相，都需要能的判定轉(zhuǎn)子位置，而無位置傳感器無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置判定是難點.同時，電機在啟動階段，很多系統(tǒng)狀態(tài)量尚未進入穩(wěn)定狀態(tài)，此時的位置檢測更為不易，電機容易出現(xiàn)震蕩甚至啟動失敗.在穩(wěn)定狀態(tài)下，大多數(shù)位置檢測方法都有電容的出現(xiàn)，電容導(dǎo)致的相位延遲給位置信號的檢測帶來固有的誤差，導(dǎo)致?lián)Q相時刻不準確，電機轉(zhuǎn)矩脈動明顯.為了解決這些問題，科技工作者提出了大量的位置檢測方法.本文分析比照多種位置檢測方法，綜合權(quán)衡，采用反電勢--低通濾波法檢測轉(zhuǎn)子位置，這種方法原理簡明，便于實現(xiàn)，控制效果理想.

采用反電勢法開展位置判定時，在電機啟動階段，轉(zhuǎn)速低，反電勢幅值很小，難以準確得到電機換相時刻，為了克服此問題，本方案采用初始定位，外同步，自同步三段式啟動方法，能良好的啟動電機.在正常運行階段，為了克服濾波器帶來的相移誤差，在控制器中對相位誤差開展補償，能的完成位置判定和換相.實驗說明在此種方案下，電機能良好啟動，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速誤差極小.整個控制系統(tǒng)性能優(yōu)良.

2.反電勢法工作原理分析目前SLBLDCM轉(zhuǎn)子位置檢測方法繁多，歸納起來如下表1所示.

其中，反電勢法相較于電感法，狀態(tài)觀測器法，電動方程計算法等方法具有原理簡明，不需要大規(guī)模計算，不依賴系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)易于實現(xiàn)，精度高的優(yōu)點，在SLBLDCM控制中得到廣泛應(yīng)用.反電勢法中，反電勢過零檢測法--低通濾波法相較于其它方法系統(tǒng)精簡，精度高，不依賴于逆變器調(diào)制方式.綜合考慮，本文中位置檢測采用反電勢法--反電勢過零檢測法--低通濾波法.下面對這種方法的原理作具體分析.

反電勢為轉(zhuǎn)子磁鋼在定子繞組中感生出的電勢，它的幅值和相位都與轉(zhuǎn)子密切相關(guān).

圖1表示出了轉(zhuǎn)子位置與反電勢之間的對應(yīng)關(guān)系.

在P1時刻，為了讓電機繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)，電機換相，電流從一開始的A相流入，B相流出，變成從A相流入，C相流出，此時轉(zhuǎn)子磁鋼在定子B相繞組中感生的反電勢由一開始的負值向正值過渡.在P2時刻，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過了30°，此時轉(zhuǎn)子磁鋼與定子繞組合成磁鏈成空間垂直關(guān)系，在B相繞組中感生出的電動勢為0.過了P2時刻，定子合成磁勢在定子繞組中感應(yīng)的電動勢變?yōu)檎?對照圖1可以看出，轉(zhuǎn)子換相時刻和反電勢過零點有固定的對應(yīng)關(guān)系--從反電勢過零時刻，延時30°電角度就是換相時刻.故可以通過檢測反電勢過零點間接得出換相點，這就是反電勢法的原理.

3.模擬中性點法原理分析根據(jù)上節(jié)的分析，可看出在A.C兩相通電時，B相懸空，此時B相上的相電壓就是反電勢，只要檢測出該相電壓就可以得到反電勢過零點.

從圖2可以看出，在B相懸空的時候，其上電流ib為0,對于絕大多數(shù)電機，都無中點引出線，相電壓ubn和中點電壓un均不可直接測得，但此時ubn可由ub-un得出.通過測出端電壓，求出中點電壓，就可以間接得到反電勢.這就是所謂的端電壓法.

關(guān)于如何求出中點電壓的方法，主要有PWM關(guān)斷檢測法和模擬中性點法.PWM關(guān)斷檢測法在開關(guān)管PWM關(guān)斷期間檢測端電壓，以直流電源的一半作為中點電壓，得出反電勢.此法受PWM調(diào)制的影響，且在重載情況下PWM占空比接近100%,PWM關(guān)斷時間極小，給檢測端電壓帶來困難.模擬中性點電壓反電勢過零檢測法引入低通濾波器，對電機端電壓濾波，消除PWM調(diào)制，換相時因繞組電流變化引起的電抗電勢等干擾信號，然后與參考電平比較.此法不受限于調(diào)制方式，其對應(yīng)的原理電路如圖3所示.

模擬中性點反電勢過零點檢測法中，A.B.C三相端電壓經(jīng)低通濾波器后，求和得出模擬中性點，濾波后的端電壓再與此模擬中性點相比較就得出過零點.下面對這種方法開展數(shù)學(xué)分析.

設(shè)A.B兩項導(dǎo)通，C相懸空，由于A.B兩項完全對稱，故PWM調(diào)制信號為1時，電機中點電壓為母線直流電壓的一半ud/2,PWM調(diào)制信號為0時，電機中點電壓為0,統(tǒng)一記為upwm/2.又設(shè)低通濾波器通帶增益為1,則有：

經(jīng)低通濾波器濾波后，端電壓中的高頻分量被濾除，只有PWM信號中的直流分量和反電勢保存下來，則有：

其中α為PWM斬波信號的占空比.

θ為低通濾波器導(dǎo)致的相位延遲.由式（4）.（5）.（6）可以得出，濾波后的模擬中性點電壓為：

因為a.b兩相導(dǎo)通，反電勢大小相等，方向相反，故‘'

ea+eb=0,式（7）