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無位置傳感器無刷直流電機驅動設計

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:2916


   摘要:文章提出了一種無位置傳感器無刷直流電機驅動設計方案,重點闡述了位置信號檢測和電機起動過程,并用仿真結果加以驗證。

1常用的控制模式

   無刷直流電機以其高效率、結構緊湊、易維護等一系列優點得到越來越廣泛的應用。但是,普通無刷直流電機需要位置傳感器來執行換相和電流控制。從成本、可靠性等角度來講,希望在電機上去掉這些傳感器,即實現無刷直流電機的無位置傳感器控制。而在正弦波磁通和梯形波磁通分布的無刷電機之聞.后者更適于進行無位置傳感器控制,因為一個三相電機在任一時刻總是兩相導通,而剩下一相則可作天然的傳感器使用。由電機學知識可知,電機換相時刻與繞組反電勢如圖I所示:

   圖l  電機換相時刻和反電勢的關系

   由圖1可以看出,換相點與電機反電勢過零點問存在30°電角度的固定相移。檢測反電勢的一種常用的方法是測量電機三相繞組端部的電壓,再通過積分器或低通濾波器來得到轉子位置信息。如圖2所示。測出的定子端部電壓Va,Vb,Vc包含了PWM電路中產生的斬波信號,積分器不僅濾掉電壓毛刺,還可以產生不受限于轉子速度的換相信號。但是實際上,由于積分器的漂移不可避免,而且對于梯形波磁通分布的無刷電機來說,準確的定子電流換相是至關重要的,一個小小的相序錯誤可蹦帶來嚴重的后果。因而實際多采用低通濾波器來處理端部電壓信號。

    圖2積分器方式的轉子位置檢測

   這種基于濾波器獲得轉子位置的方式依賴于轉子速度,移相角度受EMF頻率也受轉速影響。低速時濾波器移相角較小,導致電機定轉子磁勢難以正交,會帶來出力不足、轉矩脈動和損耗增加等諸多問題。因此這種方法難以適用于較大的轉子速度范圍。

2控制策略

   每相反電勢是以電機的中心點為參考點的,通常電機的中心點不是直接可用的。除用電阻網絡構造出一個等電勢點外,我們還可以通過恰當的PWM控制策略,直接從電機的端部得出反電勢對地的電壓值。

我們已知:電機在任一時刻總是兩相導通,一相懸浮,對于三相橋式逆變電路,我們僅將PWM信號加在上橋,下橋臂在對應導通區間保持完全導通,不受PWM信號的影響。假設在某特定時刻,A相和B相導通,C相懸浮,A相上方的開關管由PWM信號控制,B相下方的開關管在這一狀態保持全通,此時從C相端部測量V。如圖3所示。

 圖3反電勢檢測電路簡圖

   在PWM過程中,當A相上方的開關導通時,電流通過開關流進A相、B相;當開關斷開時刻,電流通過Vd續流,在續流期問,C相沒有電流,Vc測量值可以反映C相反電勢EC大小,具體關系為: Vc=Ec+Vn    (1)

忽略二極管V壓降,A相中有Vn=O—RI—Ldi/dt—Ea    (2)

忽略開關管Vmo壓降,B相中有 Vn=RI+Ldi/dt—Eh     (3)

由式(2),(3)可以得出V= 一(Ea+Eb)/2因為Ea+Eb十Ec=0,有Vn=Ec/2  所以  Vc=Ec+Vn=1.5Ec  (4)從以上等式,可以看出在PWM的關斷區問測量的Vc正比于Ec且Vc信號不含開關噪聲,并且以地線而不是中心點為參考點,我們可以不用低通濾波器就得到精確的反電勢,據此得出反電勢的過零點。求反電勢的過零點的時候,我們不必關心EMF幅值,可以把它們限制在5V左右,以便于直接輸入一個多路選通器,我們根據電機換相情況選擇相應的一相信號輸入比較器。在PWM的OFF區間與Vref參考電平(接近OV)比較。PWM的ON區間開始時,其上升沿將鎖定比較器輸出,得到過零點的信息。原理圖如圖4所示。

    圖4反電勢過零點鑒別電路

   從圖1可知,換相點通常發生在反電勢過零點后30°電角度,借助于DSP內部計數器,可以方便地確定換相點.并且由于DSP可編程特性,系統具有很大的柔性,比如通過軟件調節過零點和換相點之間的時間,以補償高速情況下電機定子電感帶來的延遲。這就擴大了它適用的轉速范圍。

3電機起動

   無位置傳感器無刷電機的自起動問題一直是個深受關注的問題。當電機靜止時,無法檢測到反電勢,因而需要特定的起動程序。我們這里采用三段式方法,步驟為:在電流控制器保證電流不超過最大值的前提下,將電機任意兩相導通一段時間,轉子會到達與導通狀態對應的位置.然后按照指定電機轉向將觸發信號輸給逆變器功率器件基極,調節每狀態的延遲時間,同時通過PWM提高外加電壓,使電機加速,以得到有效的轉子位置信號,此時的電機處在他控式同步電機運行狀態。最后要用轉子位置信號切換同步信號,這是三段式起動重要的步驟。切換時必須滿足以下條件:首先根據監測到的反電勢所確定的觸發信號時序應與已確定的邏輯導通時序對應;其次應盡量使電機定子磁勢和轉子磁勢接近正交以得到單位電流轉矩的最大值。而他控式同步電機運行狀態下,轉子磁勢通常平均滯后定子磁勢90.一ξ(ξ應大于0),因此在切換前有必要調節ξ接近0。由于ξ的存在,轉子位置信號超前同步信號δ,逐漸減小外加電壓減小δ至可接受范圍,再實施切換。過程如圖5所示。

   圖5轉子位置信號切換同步信號

系統硬件框圖如圖6。

    圖6系統硬件框圖

4仿真結果

   為了便于用MATLAB仿真,系統仿真模型中電機用基本電路元件組成,電機每相分解為R—L電路串聯一個電壓源,這里用有1到9次奇數次調和函數構成的電壓源模擬反電勢,電機參數設定為額定36V,每相電阻0.388Ω,電感2.28 mH,每相互感0.56mH,2對極,轉子慣量0.002kg?㎡,反電勢常數和力矩常數都取為0.4 。圖7表現了電機從起動到轉速穩定的過程中電流與轉速的變化情況。    

    圖7電機轉速與相電流

   由圖8可以看出,反電勢過零點和電機電流換相點間相差約30°。

    圖8反電勢過零點和電機電流換相點的關系

5結論

   通過上述方法,借助于適當的PWM控制策略和DSP的功能,可以得蛭有效的轉子位置信息,完成正確換相,同時使電機能應用于更寬廣的速度范圍。

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