無位置傳感器無刷直流電機的反電勢檢測與控制

無位置傳感器無刷直流電機的反電勢檢測與控制

無位置傳感器掃描直接流處理器的問題是如何確定旋轉(zhuǎn)元件的位置。反電勢法是近年來研究較多的一種方法,通過檢測電機運行過程中斷開相繞組的反電勢過零時刻來確定轉(zhuǎn)子位置,從而驅(qū)動換相電路實現(xiàn)電流換相。反電勢波形信號嚴(yán)格地反映無刷直流電機轉(zhuǎn)子的磁極位置,而且反電勢波形信號的檢測不會對電機本身的運行造成影響,因此可以有效控制定子繞組中的電流換相。但這種方法存在一些問題,一是由于在電機轉(zhuǎn)子靜止和低速運行階段,定子繞組根本不存在反電勢或者反電勢信號十分微弱,導(dǎo)致檢測電路很難檢測到有效的反電勢過零點;二是在電機調(diào)速過程中,用于控制逆變器開關(guān)的高頻PWM脈寬調(diào)制給反電勢波形引入很大噪聲干擾。對這些問題目前普遍的解決方法是利用三段式起動法和濾波移相電路。但三段式起動法中存在如何確定繞組電壓和外加換相頻率的匹配以及加速過程的控制問題;再者,濾波移相電路的移相角隨梯形波頻率不同而變化,勢必會對電機運行速度造成影響。本文提出了一種基于TMS320LF2812型號DSP芯片的全新控制方法,控制電機由零轉(zhuǎn)速逐漸加速至合適轉(zhuǎn)速,從而使電機能夠順利實現(xiàn)由反電勢過零時刻來控制的自同步運轉(zhuǎn),并設(shè)計出一種濾波電路,其相頻特性可以適應(yīng)電機的大幅度轉(zhuǎn)速變化,從而控制電機在足夠大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。1反電動勢換相電路本設(shè)計系統(tǒng)的電機是三相,采用的導(dǎo)通方式是二二導(dǎo)通、三相六狀態(tài)的120°導(dǎo)通方式。電機的轉(zhuǎn)子是稀土永磁體,由于稀土永磁體的良好取向性,轉(zhuǎn)子可以形成較好的方波形狀的氣隙磁場,即磁場將連續(xù)地在以電機中心為圓心的120°空間當(dāng)中對稱分布。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,會在定子的每相線圈繞組當(dāng)中形成一個電動勢,稱之為反電動勢。三相繞組產(chǎn)生的反電動勢波形時序見圖1。可見,當(dāng)繞組反電動勢處在平頂部分時,恰好是該繞組導(dǎo)通的時候;當(dāng)繞組反電勢處于斜線部分時,該繞組懸空不導(dǎo)通,則當(dāng)某相繞組反電勢過零點之后再過30°電弧度角,就是該相的導(dǎo)通時刻。應(yīng)用這個結(jié)論,就可以通過檢測電機的反電勢過零點從而確定電機的換相時刻。所謂換相,其實是指電機運行過程中六狀態(tài)的依次循環(huán)轉(zhuǎn)換,而六狀態(tài)的轉(zhuǎn)換一般來說則是通過MOSFET的通斷來控制的,目前比較常用的星形連接三相橋式主電路見圖2。依照此電路圖,三相六狀態(tài)導(dǎo)通方式的功率管開關(guān)導(dǎo)通順序依次為:VT1VT2、VT2VT3、VT3VT4、VT4VT5、VT5VT6、VT6VT1。研究表明,無刷直流電機的反電動勢過零點時一個很好的檢測電機轉(zhuǎn)子磁極位置的信號,可以嚴(yán)格地反映無刷直流電機轉(zhuǎn)子磁極的位置。2外同步運轉(zhuǎn)原則由以上分析可以看出,無刷直流電機定子繞組當(dāng)中的反電動勢只有在電機轉(zhuǎn)動的時候才會產(chǎn)生,因而電機由靜止?fàn)顟B(tài)起動的過程當(dāng)中,不能用反電勢法來獲得轉(zhuǎn)子的位置信息,也無法依此來確定換相時刻。為了克服此問題,目前較常用的是三段式起動法。所謂三段式起動,是指電機通過預(yù)定位、外同步運轉(zhuǎn)兩個階段后最終進(jìn)入自同步運轉(zhuǎn)階段。理論上來說,無刷直流電機轉(zhuǎn)子在靜止時刻其位置是不可知的,然而,轉(zhuǎn)子的初始位置決定先導(dǎo)通定子繞組的哪兩相,所以應(yīng)該使電機轉(zhuǎn)子位于一個可預(yù)知的位置,這個可以通過預(yù)定位來實現(xiàn),即通過導(dǎo)通定子繞組的某兩相,并持續(xù)一定時間,這時,在電機內(nèi)部的氣隙當(dāng)中產(chǎn)生一個方向固定的磁場,在此磁場的作用下,轉(zhuǎn)子將會被定位到一個可知的位置,為了克服磁場死點,可采用兩次定位法,即在第一次定位的基礎(chǔ)上,接著再導(dǎo)通下一個扇區(qū)(即六狀態(tài)當(dāng)中的其中一個狀態(tài)),這樣,無論第一次定位成功與否,第二次定位一定成功。當(dāng)電機定位完成之后,便可以進(jìn)行三段起動的第二個階段,即外同步運轉(zhuǎn)階段。所謂外同步運轉(zhuǎn),就是指不關(guān)心轉(zhuǎn)子運行過程當(dāng)中的具體位置,而是根據(jù)電機的V-f曲線,大致確定多大電壓對應(yīng)電機的一個多大轉(zhuǎn)速,使電機由慢到快逐漸起動起來,直到能檢測到正確的反電勢過零點為止。這種方法的電壓調(diào)節(jié)是通過PWM波的占空比調(diào)制,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過對定子繞組的循環(huán)導(dǎo)通頻率的控制,在實際調(diào)試的過程中則是通過對6個MOSFET管的開關(guān)控制來實現(xiàn)的。本實驗用的電機參數(shù):額定電壓24V,額定功率80W,額定轉(zhuǎn)速8000r/min,額定電流6.2A,極對數(shù)p=5,額定轉(zhuǎn)矩0.05n.m。在本實驗中,采用EVA模塊的PWM1-6六路PWM波來控制六個MOSFET管的通斷,通過EVA模塊的通用定時器T2來確定每個狀態(tài)的保持時間。通過實驗,在最低電壓為0.7V的時候,電機可以起動,此時電機轉(zhuǎn)速為240r/min,但是此時的反電勢波形不是很理想。在此轉(zhuǎn)速運行一定時間后,電機加速,通過定時器中斷,改變PWM波形的占空比,并確定每個狀態(tài)的持續(xù)時間,從而確定逆變器電路的換相頻率。實驗證明,當(dāng)電機轉(zhuǎn)速達(dá)到900r/min時,通過檢測定子繞組的端電壓,反電勢波形呈現(xiàn)明顯的梯形波(見圖3)。當(dāng)電機的轉(zhuǎn)子繞組當(dāng)中有明顯的梯形波反電動勢出現(xiàn),便可以通過濾波檢測電路檢測到反電勢過零點,從而為電機進(jìn)入下一個運行階段,也是最后一個階段——自同步運行階段做好了準(zhǔn)備。3檢測電路組成由圖3可見,繞組的端電壓反電勢梯形波存在明顯的高頻噪聲和直流分量,高頻噪聲是由于高頻的PWM斬波形成的,而直流分量是由于星形連接的中性點電壓形成的。在本實驗當(dāng)中,采用的PWM調(diào)制頻率是5KHZ,而電機轉(zhuǎn)動的頻率數(shù)量級從十幾赫茲到幾百赫茲,因此,反電勢位置檢測電路的濾波功能應(yīng)該是慮除5KHZ的高頻分量和直流分量,保留數(shù)量級在十幾赫茲和幾百赫茲的梯形波分量。結(jié)合國內(nèi)外的一些研究和本實驗的具體情況,本系統(tǒng)采用的反電勢位置檢測電路圖如圖4。其中,R1和R2主要用于分壓,因為端電壓值比較高。C1跟前邊的電阻結(jié)合起來,組成低通濾波電路,主要用于慮除高頻信號,同時要求低頻信號可以通過,因此C1的值不宜太高;后邊的C2和R3主要用于隔直,相當(dāng)于高通濾波,但截至頻率非常小,因此應(yīng)該選用大電容和大電阻;接下來的R4、C3和C4主要用于移相,通過前面反電動勢法原理的分析可以知道,在每相的反電動勢過零點之后再過30°電度角就是該相應(yīng)該的導(dǎo)通時刻,即為一個換相點,所以,結(jié)合實際應(yīng)用,本電路設(shè)計成移相30°角,這樣,當(dāng)此電路檢測到反電勢過零點時,實際繞組中的反電動勢信號恰好處于換相點,DSP芯片的捕獲單元可以根據(jù)捕獲到的此信號直接進(jìn)行換相。后邊的電容在滿足濾波要求的前提下,可以起到參數(shù)調(diào)節(jié)的作用;R5是模擬負(fù)載。得到梯形波信號后,將該梯形波與參考電平做比較,高于參考電平的時刻為正,低于參考電平的時刻為負(fù),則所得到信號的跳變沿就是反電動勢的過零點時刻。參考電平的選擇可以通過三相電阻模擬獲得,電平的比較可以采用比較器或是運算放大器,本系統(tǒng)采用的是運放,型號LM224N。得到的比較輸出信號再經(jīng)過光電耦合器件進(jìn)行電平隔離,便可以輸入給DSP芯片,作為捕獲單元的捕獲信號使用,電路圖見圖5。4信號濾波和轉(zhuǎn)速下面是對該電路圖進(jìn)行軟件仿真。輸入頻率為5KHZ,峰值為24V的PWM調(diào)制波后,得到的仿真輸出波形見圖6。可見,系統(tǒng)在3s之后,達(dá)到穩(wěn)定的輸出,并且幅值已經(jīng)縮小為-5mV左右,完全符合下一步的信號處理要求。當(dāng)信號經(jīng)過上述電路的濾波后,得到的濾波波形見圖7。下面是經(jīng)過比較器和光電耦合器件之后,當(dāng)轉(zhuǎn)速為900r/min時,所得到的用于輸送給DSP捕獲單元的信號波形見圖8。當(dāng)轉(zhuǎn)速為5000r/min時,所得到的用于輸送給DSP捕獲單元的信號波形見圖9。可見,系統(tǒng)可