無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的電流注入估算新方法

1、設(shè)計(jì)與研究 D ESIGN ” RESEARCH無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的電流注入估算新方法收稿日期 :2003-09-03基金項(xiàng)目 :廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目 (2002J 1-C 0041 和教育 部重點(diǎn)項(xiàng)目 (03131牛海清 , 謝運(yùn)祥 , 劉文澤 , 張平(華南理工大學(xué)電力學(xué)院 , 廣東廣州 510640摘要 :介紹了凸極無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的電流注入法 , 該方法是在定子繞組中注入微弱的高頻交流信 號(hào) , 通過(guò)對(duì)端電壓的處理 , 計(jì)算出轉(zhuǎn)子的位置 。 文中利用該方法對(duì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了仿真 , 驗(yàn)證了 其有效性 。關(guān)鍵詞 :無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) ; 轉(zhuǎn)子位置估計(jì) ; 電流注入法中

2、圖分類(lèi)號(hào) :TM 381 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1001-6848(2003 05-0003-03Rotor Flux Position Esti m a tion of Sen sorless Brushless DCM otor Used by a New Curren t I n jection M ethodN I U H ai -qing , X IE Yun -x iang , L I U W en -ze , ZHAN G P ing(E lectrical Pow er Co llege , Sou th Ch ina U n iversity of T echno l

3、ogy , Guangzhou 510640, Ch ina Abstract :T h is paper describes a cu rren t in jecti on m eth ld to detect the ro to r flux po siti on of the salien t -po le b ru sh less mo to r . T he m ethod is u sed to calcu late the ro to r po siti on by in jecting a s m all h igh frequency A C cu rren t in to

4、the stato r w indings and p rocessing the stato r w inding vo ltages . T hen the si m u lati on is m ade by u sing th is m ethod to esti m ate the ro to r po siti on of the runn ing mo to r , and resu lts show it is valid . Key words :b ru sh less DC mo to r ; esti m ati on of the ro to r po siti on

5、 ; cu rren t in jecti on m ethod1引言無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的調(diào)速性能 、 高轉(zhuǎn)矩慣量比和高效率等優(yōu)異性能 , 廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活 的各個(gè)領(lǐng)域 :軍事工業(yè) 、 航空航天 、 醫(yī)療 、 信息 、 家電 以及工業(yè)自動(dòng)化等 。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)子的位 置信號(hào) , 作為逆變器功率管的換相信號(hào) , 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的 無(wú)刷運(yùn)行 , 同時(shí)也為閉環(huán)控制提供轉(zhuǎn)速信息 。傳統(tǒng)的方法是通過(guò)位置傳感器來(lái)獲得所需的轉(zhuǎn) 子位置信號(hào) , 如磁敏式的霍爾位置傳感器 、 光電編碼 器 、 旋轉(zhuǎn)變壓器等 。 但傳感器的引入不僅增加了電機(jī) 制造的工藝要求和成本 , 且由于傳感器本身對(duì)環(huán)境 條件敏感 ,

6、 使得整個(gè)系統(tǒng)的可靠性得不到保證 , 因而 無(wú)位置傳感器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生 。 現(xiàn)有的方法可歸納為 :反電動(dòng)勢(shì)方法 14, 通過(guò)檢測(cè)未導(dǎo)通相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 的過(guò)零點(diǎn)得到換相信號(hào) , 該方法只能得到幾個(gè)換相 時(shí)刻信號(hào) , 適用于方波電機(jī) ; 3次諧波方法 5, 6, 利用 反電動(dòng)勢(shì)的 3次諧波分量 , 經(jīng)過(guò)處理 , 得到轉(zhuǎn)子的位置信號(hào) ; 逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)視法 7, 通過(guò)逆變器中的 電流通路來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置 ; 觀察器方法 8, 9, 利用現(xiàn) 代控制理論 , 估計(jì)出轉(zhuǎn)子的位置 , 該方法需要復(fù)雜的 估計(jì)技術(shù) 。以上方法各有其特點(diǎn) , 但在電機(jī)靜止或極低速 時(shí) , 均有其局限性 。 文中介紹一種新的凸極無(wú)刷直

7、流 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)方法 電流注入法 :在定子 繞組中注入微弱的高頻交流信號(hào) 10, 11, 通過(guò)一系列 運(yùn)算 , 估算出轉(zhuǎn)子的位置 。 該方法不僅在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 可用 , 而且在低速和靜止時(shí)也有效 。 文中介紹了其工 作原理 , 對(duì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)下轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了仿真 , 驗(yàn)證了 方法的可靠性和可行性 。2原理圖 1是永磁凸極直流電動(dòng)機(jī)模型的坐標(biāo)關(guān)系 , 給出了 3個(gè)不同坐標(biāo)系統(tǒng) :靜止三相的 a -b -c 系 統(tǒng) 、 靜止兩相的 A -B 系統(tǒng) 、 與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的 d -q 坐標(biāo)系統(tǒng) 。其中 a 軸與 A 軸重合 , 另外 , 設(shè)在 t =0時(shí) 刻 , d 軸與 a 軸重合 , 則轉(zhuǎn)子的位置角

8、 H 如圖 1所 示 。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) , 設(shè)定子繞組通以?xún)煞N電流 :(1 工作電流 I 0(此時(shí)轉(zhuǎn)子以角速度 X 旋轉(zhuǎn) :3 無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的電流注入估算新方法牛海清謝運(yùn)祥劉文澤 , 等© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 圖 1轉(zhuǎn)子位置與坐標(biāo)系的關(guān)系i a0=i m sin X t i b0=i m sin (X t -2P 3 i c0=i m sin (X t +2P 3(1(2 以 X h 旋轉(zhuǎn)的測(cè)試電流 I h , 其幅值是工作電 流幅值的 k 倍 (其中 X

9、 h =h 3X , h 為正整數(shù) :i ah =k 3i m sin X h t i bh =k 3i m sin (X h t -2P 3 i ch =k 3i m sin (X h t +2P 3(2則總的定子電流 I =I 0+I h 。將定子電流 I 轉(zhuǎn)換到以角速度 X 旋轉(zhuǎn)的 d -q 坐標(biāo)系下 , 得到 i d , i q :i d i =3 co s X t co s (X t -2P 3 co s (X t +2P 3 -sin X t -sin (X t -2P 3 -sin ( X t +2P 3 i a i b i (3利用凸極無(wú)刷直流電機(jī)的電壓方程 , 可以求得 在

10、d -q 坐標(biāo)系下的端電壓 :U d U =R +pL d -X L q X L d R +pL i d i + 0X 5f (4 式中 , R 為定子電阻 ; p 為微分算子 ; 5f 為永磁鋼磁鏈 ; L d , L q :d -q 坐標(biāo)下的電感 。 經(jīng)過(guò)坐標(biāo)交換 之后 , 得到靜止兩相坐標(biāo)下的定子電壓 :U U =co s X t -sin X t sin X t co s X tU d U (5U A , U B 中包含有直流分量 、工頻分量和測(cè)試頻 率分量 , 經(jīng)過(guò)一個(gè)帶通濾波器 , 獲取頻率 X h 的信號(hào) :U A h U B =R i h sin X h t -co s X h

11、 +2X h i h (L d +L q co s X h t sin X h +2X h i h (L d -L q co s (2H - X h t sin (2H -X h t (6 將定子電壓從靜止 A -B 兩相坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到以 X h旋轉(zhuǎn)的 s -t 坐標(biāo) :U s U =co s X h t -sin X h t sin X h t co s X h U A h U B =R i hsin 2X h t-co s 2X h +2X h i h (L d +L q co s 2X h t sin 2X h +2 X h i h (L d -L q co s 2sin 2(7在上式等號(hào)的

12、右邊包含有頻率為 2X h 的分量和 直流分量 , 其直流分量可以用下式表示 :U sd U =2X h i h (L d -L q co s 2sin 2(8當(dāng)檢測(cè)到直流分量 U sd , U td , 轉(zhuǎn)子的位置角可以通過(guò)計(jì)算得到 。H 3=2arctan (U sd +2(93仿真分析利用 M atlab 6. 1對(duì)該方法進(jìn)行仿真 , 其中設(shè)定 子電阻 R 為 0. 3, 轉(zhuǎn)子角速度 X 為 314, 永磁鋼磁鏈5f 與角速度 X 的乘積為 30, d 軸電感為 0. 2, q 軸電 感為 0. 5。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) , 設(shè)定子繞組通以頻率為 X 三相 正弦工作電流和頻率為 X h 的測(cè)試電

13、流 (此時(shí)轉(zhuǎn)子以 角速度 X 旋轉(zhuǎn) 。 得到轉(zhuǎn)子位置與時(shí)間的關(guān)系曲線 如圖 2所示 。 仿真結(jié)果表明 , 起始 0. 1個(gè)周期后 , 轉(zhuǎn) 子位置與時(shí)間保持線性關(guān)系 。 且轉(zhuǎn)子位置與時(shí)間的 比值 (轉(zhuǎn)速 為一定值 , 該值與給定的轉(zhuǎn)速相等 , 說(shuō)明 該方法是可靠的 。起始 0. 1個(gè)周期后仿真結(jié)果與理論值的誤差如 圖 3所示 。 從圖中看出 , 轉(zhuǎn)子角度誤差不超過(guò)±2°, 且其誤差具有周期性 。圖 2轉(zhuǎn)子位置與時(shí)間關(guān)系曲線此外 , 為了更清楚地了解位置估算誤差情況 , 在 保持測(cè)試電流的頻率不變時(shí) , 電機(jī)工作在不同轉(zhuǎn)速 時(shí)的最大轉(zhuǎn)子位置誤差曲線如圖 4所示 。 從圖中可 以

14、看出 , 電機(jī)的工作頻率越高 , 估計(jì)出的轉(zhuǎn)子位置誤 差也越大 , 這與測(cè)試電流頻率不變有關(guān) 。 仿真研究表4 微電機(jī) 2003年第 36卷第 5期 (總第 134期 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 圖 3轉(zhuǎn)子位置誤差與時(shí)間的關(guān)系明 , 在工作頻率為 1H z 時(shí) , 電流注入法估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置誤差為 0. 26°, 說(shuō)明了該方法對(duì)低速旋轉(zhuǎn)的電 機(jī) , 也具有有效性 。在仿真時(shí) , 改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù) , 如定子電阻 、 d 軸電感 、 q 軸電感等 , 不影響轉(zhuǎn)

15、子位置的估算結(jié)果 , 即該方法有其通用性 。 仿真研究也發(fā)現(xiàn) , 當(dāng)注入電流 的頻率過(guò)低時(shí) , 將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差 。圖 4轉(zhuǎn)子位置誤差與轉(zhuǎn)速的關(guān)系4結(jié)論電流注入法對(duì)凸極電機(jī)或有一定電感變化的電 機(jī)適用 , 旋轉(zhuǎn)時(shí) , 即使在低速情況下 , 該方法都可以獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置角 。參考文獻(xiàn) :1 L izuka K , U zuhash i H , Kano M . M icrocompu ter Con 2tro l fo r Sen so rless B ru sh less M o to r J . IEEE T ran s . Ind . A pp li. , 1985, 21(4 :59

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