無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)概要

1、2007,34（5控制與應(yīng)用技術(shù)EMC A無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)胡波,徐國卿,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)了一種無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于智能功 率模塊（I PM和數(shù)字信號處理器（DSP采用反電勢法實(shí)現(xiàn)了燃料電池轎車空調(diào)的無刷直流電機(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:無刷直流電機(jī)；無位置傳感器控制；反電動勢中圖分類號:TM301.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1673-6540（200705-0021-03R esearch on Sen sori ess Con trol T ech

2、no logy 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 eeri ng,T ong jiU n iversity,Sha ngha i200331,Chi naAbstrac 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 des i gn ed.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 stro ng reli ab ility.Experi m en tal results i n d-ica te tha t th i s syste m has a high perfor m an ce.K ey word s:brush less DC mo tor;sensorless con tro;l back-electro m otive force無刷直流電機(jī)(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(diǎn)，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。轉(zhuǎn)子位置傳感器對于BLD

5、C M正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(diǎn)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(shí)感應(yīng)電勢為零或很小，很難用來判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的 位置，因此必須利用其他方法對電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)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

6、動法、脈沖檢測起動法、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(yùn)行、自控同步運(yùn)行三個(gè)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(shí)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(diǎn)，并通過提高PWM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

7、反電動勢過零點(diǎn)或利用反電動勢直接檢測換相點(diǎn)的方法是最常用的位置檢 測方法。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)制方式下利用無刷直流電機(jī)的端電壓或相電壓檢測反電動勢過零點(diǎn)或換相點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)換相控制。反 電動勢過零點(diǎn)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(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)，則此刻該相反電動勢過零，反電動勢過零后再延時(shí)30電角度即為觸發(fā)功率開關(guān)管進(jìn)行換向的時(shí)刻4o 反電動勢過零點(diǎn)檢測公式推導(dǎo)從BLDC M的等效電路模型出發(fā)

8、，可以得到=R +dd tOOR +d dtOOOR +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勢過零檢測方程分別為=U a U b U c-12011101110U a U b U c(2或U aU b U c-13111111U a U bU c (3式（2和式（3在反電動勢過零點(diǎn)附近是等效的5。由于系統(tǒng)采用P WM方式,所以檢測到的端電壓信號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Ua、U b和U c先進(jìn)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

9、 co。 本系統(tǒng)采用如圖1所示的檢測電路，則冷電選探嘟E ao E bo E co =U ao U bo U co3111111111U 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。低通濾波電路的設(shè)計(jì)電機(jī)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(yán)重干擾反電動勢波形，使得過零點(diǎn)不明確，因此在反電動勢位置檢測電路中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(shí)際應(yīng)用中必須對換相時(shí)刻進(jìn)

10、行適當(dāng)?shù)南?位修正。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(jì)算有U aoU aR 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(shí)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(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30,此時(shí)，延遲30-進(jìn)行換相的原理已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)的要求。針對這一問題本文在軟件設(shè)計(jì)時(shí) 采用了的90 -的換

11、相原理（90換相原理如圖2所示。圖2 90 -延遲換相示意圖222007,34（5控制與應(yīng)用技術(shù)EMC A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(gè)比較器電路檢測反電動勢過零點(diǎn)，如圖3所示。其中,R仁R 3=R 5,R 2=R 4=R 6并 且R 2>R 1。將電機(jī)的三相端電壓信號與中心點(diǎn)電壓信號比較的 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)反電動勢過零點(diǎn)信號。1圖3轉(zhuǎn)子位置硬件檢測電路2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)OL1 1卍O一L嚴(yán)1&0代。O嚴(yán)1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

12、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(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(hù)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3U)o o_r-i1小$圖4電機(jī)控制系統(tǒng)框圖3試驗(yàn)結(jié)果和波形按照圖4的系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)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(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。電機(jī)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(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

13、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(yàn)證明，采用端電壓反電動勢法檢測空調(diào)無刷電機(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 勢過零比較波形圖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(shí)各相反電勢過零比較信號參考文獻(xiàn)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(jī)起動方法J.微電機(jī).2005,38(4:79-81.2 董富紅，沈艷霞,紀(jì)志成.永磁無刷直流電機(jī)無位置傳感器估計(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