電網(wǎng)絡(luò)分析與綜合課程報(bào)告

1、課程論文基于反電動勢3次諧波檢測法的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制中位置檢測電路的設(shè)計(jì)課程名稱 電網(wǎng)絡(luò)分析與綜合學(xué) 院 機(jī)電工程與自動化專 業(yè) 電氣工程學(xué) 號 1672XXXX學(xué)生姓名 XXX指導(dǎo)教師 XXX三次諧波檢測法的提出三次諧波檢測法是一種無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測方法，這種方法能使無刷直流電機(jī)在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持較大的每安培轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)和較高的效率。這種方法特別適合于反電動勢為梯形波的無刷直流電機(jī)（即方波無刷直流電機(jī)），圖1所示為方波無刷直流電動機(jī)的理想氣隙分布圖，從圖中可以看出，方波無刷直流電機(jī)的反電動勢為典型的梯形波，它包含反電動勢基波及一系列的高次諧波。通過對電樞三相相電壓的簡單疊加，

2、反電動勢的基波分量以及其它一些高次諧波分量由于相位互差120°而相互抵消，而三次諧波分量由于同相而相互疊加，可以從中提取三次諧波分量。在任何轉(zhuǎn)速及負(fù)載下，三次諧波分量與轉(zhuǎn)子磁勢總是保持一個恒定的相位差，并且不受逆變器變流干擾的影響。由于這些特性，使得用三次諧波法來檢測轉(zhuǎn)子的位置成為一種非常有效的方法。圖1 方波無刷直流電動機(jī)的理想氣隙分布圖當(dāng)然，這種檢測方法需要用到電機(jī)繞組的中性線（即四線制電機(jī)），以獲得電機(jī)反電動勢的三次諧波。盡管從電機(jī)繞組中引出中性線不會明顯增加成本或加大整個系統(tǒng)的體積。但對現(xiàn)有的大部分三線制電機(jī)和一些特殊的應(yīng)用場合，電機(jī)繞組的中性線并沒有引出，這就限制了這種方法

3、的使用。三次諧波檢測法適用于Y連接、三相對稱、氣隙磁密為梯形波的永磁無刷電機(jī)。對于反電動勢梯形頂寬位120° 的梯形波，由傅立葉分解可得各次諧波所占的比例如表1所示。表1 基波與各次諧波的百分比諧波3579111315占基波的百分?jǐn)?shù)2222210.60.9定子繞組三相電壓的矢量和將消除所有正序分量及負(fù)序分量（基波分量及所有特征諧波分量如5次、7次、11次等），剩下零序分量，如3次、9次、13次等。由于與9次、13次等諧波分量相比三次諧波分量占有絕對的優(yōu)勢，所以三相電壓的矢量和主要是由三次諧波信號決定。無論負(fù)載和速度如何變化，由氣隙磁通產(chǎn)生的反電勢三次諧波分量與基波分量都保持不變的相位

4、差，所以對三次諧波進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，可以用于檢測轉(zhuǎn)子磁通位置和控制逆變器的通斷，這種方法對濾波器延時不敏感，可以在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得良好的運(yùn)行性能。由于三次諧波在很低的轉(zhuǎn)速時就可以檢測到，所以電機(jī)具有良好的起動性能。對于四線制電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，三次諧波信號可以從電機(jī)中性線與星形電阻網(wǎng)絡(luò)之間獲得。對于三線制電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，三次諧波信號可以從直流母線電壓中點(diǎn)與星形電阻網(wǎng)絡(luò)之間獲得，只是獲得的三次諧波信號中還疊加了一個由換相引起的交流分量，其頻率與三次諧波頻率相同。對于采用三線制的電機(jī)，當(dāng)PWM波加在斬波器上時對三次諧波位置信號的影響也不大；當(dāng)PWM波加在逆變器上時對三次諧波位置信號的干擾較大。這是因

5、為通過三線制獲得三次諧波時引入了交流分量的緣故。三次諧波檢測法的實(shí)現(xiàn)原理一般來說，三次諧波信號的提取需要電機(jī)的中性線，以便三次諧波信號形成回路。但是在一些情況下電機(jī)的中性線很難獲得。目前存在兩種三次諧波檢測法，一種需要電機(jī)的中性線，一種不需要電機(jī)的中性線。本文介紹不需要使用電機(jī)中性線的三次諧波檢測法。圖2所示的是無刷直流電動機(jī)三相逆變電路。外接對稱星型電阻網(wǎng)絡(luò)，并且引進(jìn)直流電源參考點(diǎn)M點(diǎn)和對稱電阻電路中性點(diǎn)O點(diǎn)。通過檢測O點(diǎn)和M點(diǎn)之間的電壓可以獲得含有三次諧波信號的電壓，然后經(jīng)過位置檢測電路，對該信號進(jìn)行帶通濾波可以獲得反電勢的三次諧波，經(jīng)過處理就能得到電動機(jī)的換相時刻。圖2 無刷直流電動機(jī)三

6、相逆變電路圖3所示的是三次諧波法的電路框圖，電動機(jī)的端電壓首先通過電阻分壓，然后由三相對稱星型電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生模擬中性點(diǎn)電壓，該電壓信號通過濾波電路濾波后，進(jìn)入比較器，與M的參考電壓比較后，得到三次諧波過零信號。圖3 反電勢三次諧波法過零點(diǎn)檢測電路圖模擬中性點(diǎn)的電壓中包含PWM斬波脈沖信號分壓，一個三次諧波分量和所有九次及其以上3的奇數(shù)倍次諧波分量。由于九次、及其3的奇數(shù)倍次諧波分量的幅值接近于零，對三次諧波影響很小，可以忽略。經(jīng)過帶通濾波電路濾波后，濾去PWM斬波產(chǎn)生的高頻分量、直流分量以及反電勢九次諧波及3的奇數(shù)倍次諧波分量，只剩下三次諧波分量，本文以直流電源負(fù)電壓為參考電平，與三次諧波比較即

7、可得出反電勢三次諧波的過零信號。轉(zhuǎn)子位置檢測電路設(shè)計(jì)由于帶通濾波法對無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)沒有限制，但需要濾波器對虛擬中性點(diǎn)信號進(jìn)行濾波，去除操作引起的高頻信號干擾，從中提取三次諧波過零信號。濾波器作為三次諧波過零檢測電路的重要組成部分，其電路的設(shè)計(jì)以及參數(shù)的選擇對檢測到的三次諧波信號效果影響很大，決定是否可以根據(jù)得到的過零信號來獲得準(zhǔn)確的換相信號，因此濾波電路的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下三個條件：（1）消除虛擬中性點(diǎn)電壓信號中的直流分量，適量減小其中的交流分量，以免損害器件；（2）消除虛擬中性點(diǎn)電壓信號中由PWM操作引起的高頻信號的干擾；（3）由于濾波信號的相位滯后角度和輸入信號的頻率有關(guān)，頻率又和

8、轉(zhuǎn)速成正比，所以在電動機(jī)調(diào)速范圍對應(yīng)的頻帶內(nèi)，濾波后的三次諧波信號的相位延遲角度應(yīng)被控制在適當(dāng)?shù)姆秶?。下面將對本文所使用的RC無源帶通濾波電路進(jìn)行理論設(shè)計(jì)。電路設(shè)計(jì)本文的控制系統(tǒng)采用無源濾波器構(gòu)成三次諧波過零檢測電路，如圖4所示。該電路是由分壓、帶通濾波、深度濾波、過零比較和光電隔離四個部分組成。中性點(diǎn)電壓信號經(jīng)過電阻分壓，再經(jīng)過無源濾波電路進(jìn)行濾波后，與零電位進(jìn)行比較，可獲得三次諧波過零信號。圖4 三次諧波過零檢測電路圖帶通濾波部分包括低通濾波電路和高通濾波電路，分別如圖5和圖6所示，圖一中電阻R0與R1構(gòu)成分壓電路，同時與電容C1功能構(gòu)成一階低通濾波回路。圖5 低通濾波回路 圖6 高通濾波

9、回路對圖5所示電路列出節(jié)點(diǎn)電壓方程：整理后可得到電路的傳遞函數(shù)：令，函數(shù)從s域轉(zhuǎn)換到復(fù)頻域進(jìn)行分析根據(jù)上式可得低通濾波電路的增益和移相表達(dá)式，如下式：式中，為角頻率，且。技術(shù)要求包括分壓比例、帶通邊界頻率增益、阻帶邊界頻率增益和通帶頻率移相角度。根據(jù)上式給出的技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)過計(jì)算可以選擇一組參數(shù)：， ，。同理，可以對高通濾波部分進(jìn)行分析，得到對應(yīng)圖6高通濾波電路增益和移相表達(dá)式：由上式可知：（1），；（2）隨著的增大，增大，趨近于1，減小并趨向于。高通濾波這部分，主要是濾去入信號中包含的直流分量，設(shè)計(jì)過程中要考慮減小對前面濾波結(jié)果的影響，根據(jù)這一特點(diǎn)，幅頻、相頻特性的技術(shù)要求： 綜合以上，通過計(jì)

10、算選出一組參數(shù)為：，。由于濾波的主要任務(wù)是濾去虛擬中性點(diǎn)中的PWM斬波的高頻電壓，但是在低通濾波電路以后，從參數(shù)的分析可知，對高頻5KHz信號，濾波器的增益與對300Hz濾波增益比大概在1/20左右，看到的濾波效果不是很明顯。所以在帶通濾波電路后又加入了一個由R3和C3構(gòu)成的深度濾波環(huán)節(jié)。由于經(jīng)過低通濾波和隔直處理以后，得到的三次諧波信號的幅值不超過0.1V，因此深度濾波電路只應(yīng)去除高頻干擾信號，而不對其他方面的產(chǎn)生影響。對該級電路的技術(shù)要求下式： 通過計(jì)算，選取一組參數(shù)：，為了防止突變的電壓對比較器產(chǎn)生影響，保證電路的穩(wěn)定性和可靠性，加入了起電壓鉗位作用的二極管D4，光耦將強(qiáng)電電路與控制電路

11、有效的隔離，增加了系統(tǒng)的安全性。位置檢測電路仿真為了可以更好的觀察濾波器的效果，可運(yùn)用MATLAB中的SIMULINK對位置檢測電路中的濾波部分進(jìn)行仿真，仿真模塊結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。圖7 濾波器仿真結(jié)構(gòu)圖下面將討論P(yáng)WM調(diào)制頻率為5KHz，脈沖斬波信號幅值為150V的情況下，斬波脈沖信號占空比不同時，濾波器的仿真結(jié)果。斬波脈沖信號占空比為（1）三次諧波頻率為300Hz，幅值為10.7V，濾波器的帶通濾波仿真圖結(jié)果：圖8 帶通濾波后仿真波形下圖9中所示的是，三次諧波經(jīng)過深度濾波后的過零檢測波形，有過零發(fā)生時，比較器發(fā)生過零比較，產(chǎn)生一個跳變信號，圖10中為濾波前和濾波后的對比波形，可以看出位置電路

12、產(chǎn)生了接近的相移。圖9 深度濾波后三次諧波過零信號仿真圖圖10 三次諧波移相仿真圖（2）三次諧波頻率為90Hz，幅值為2.64V，濾波器的帶通濾波仿真圖結(jié)果：圖11帶通濾波后仿真波形加入深度濾波電路后所得的三次諧波過零檢測的仿真波形如圖12：圖12 深度濾波后三次諧波過零信號仿真圖由于三次諧波幅值較低，濾波器的設(shè)計(jì)不能完全濾去高頻影響，仔細(xì)觀察圖中的過零信號仿真圖,可以看到有假過零現(xiàn)象發(fā)生。圖13 三次諧波過零信號中的假過零現(xiàn)象（3）三次諧波頻率為30Hz，幅值為0.88V，經(jīng)過濾波和過零比較器后仿真圖結(jié)果如圖14所示。圖中較粗部分表明有假過零點(diǎn)出現(xiàn)。圖14三次諧波過零檢測仿真波形斬波脈沖信號

13、占空比為濾波器的帶通濾波和深度濾波仿真結(jié)果分別如15和圖16：圖15 帶通濾波后仿真波形圖16 三次諧波過零檢測仿真波形斬波脈沖信號占空比為濾波器的帶通濾波和深度濾波仿真結(jié)果分別如圖17和圖18：圖17 帶通濾波后仿真波形圖18 三次諧波過零檢測仿真波形注：以上圖中出現(xiàn)的粗線部分表示有假過零出現(xiàn)。仿真結(jié)果分析本文首先在PWM調(diào)制頻率為5KHz，PWM占空比為10%的情況下，分析了三次諧波分別為300Hz和90Hz時，三次諧波經(jīng)過帶通濾波后的仿真波形以及深度濾波和過零比較后的仿真波形，同時給出了轉(zhuǎn)速為30Hz時三次諧波的過零信號。通過比較可知，在占空比相等的情況下，轉(zhuǎn)速越低，斬波對三次諧波的影響越大，深度濾波后的三次諧波含有假