無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制關(guān)鍵問題分析（一）

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制關(guān)鍵問題分析（一）1.引言無刷直流電機(jī)（BLDCM）完全具有傳統(tǒng)直流電機(jī)的所有優(yōu)良性能，但去除了電刷，防止了傳統(tǒng)直流電機(jī)的缺點(diǎn).相較于交流感應(yīng)電機(jī)，其效率和控制性能亦有的優(yōu)勢.在機(jī)車牽引，水泵，風(fēng)扇，家電等場合得到廣泛應(yīng)用.無位置傳感器無刷直流電機(jī)在無刷直流電機(jī)的根底上進(jìn)一步取消了位置傳感器，使電機(jī)構(gòu)造更為緊湊，進(jìn)一步降低了電機(jī)成本，減少了電機(jī)維修費(fèi)用，擴(kuò)大了電機(jī)應(yīng)用場合.

但無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)存在一些技術(shù)上的難點(diǎn).無刷直流電機(jī)無論是啟動(dòng)還是換相，都需要能的判定轉(zhuǎn)子位置，而無位置傳感器無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置判定是難點(diǎn).同時(shí)，電機(jī)在啟動(dòng)階段，很多系統(tǒng)狀態(tài)量尚未進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的位置檢測更為不易，電機(jī)容易出現(xiàn)震蕩甚至啟動(dòng)失敗.在穩(wěn)定狀態(tài)下，大多數(shù)位置檢測方法都有電容的出現(xiàn)，電容導(dǎo)致的相位延遲給位置信號(hào)的檢測帶來固有的誤差，導(dǎo)致?lián)Q相時(shí)刻不準(zhǔn)確，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯.為了解決這些問題，科技工作者提出了大量的位置檢測方法.本文分析比照多種位置檢測方法，綜合權(quán)衡，采用反電勢--低通濾波法檢測轉(zhuǎn)子位置，這種方法原理簡明，便于實(shí)現(xiàn)，控制效果理想.

采用反電勢法開展位置判定時(shí)，在電機(jī)啟動(dòng)階段，轉(zhuǎn)速低，反電勢幅值很小，難以準(zhǔn)確得到電機(jī)換相時(shí)刻，為了克服此問題，本方案采用初始定位，外同步，自同步三段式啟動(dòng)方法，能良好的啟動(dòng)電機(jī).在正常運(yùn)行階段，為了克服濾波器帶來的相移誤差，在控制器中對(duì)相位誤差開展補(bǔ)償，能的完成位置判定和換相.實(shí)驗(yàn)說明在此種方案下，電機(jī)能良好啟動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速誤差極小.整個(gè)控制系統(tǒng)性能優(yōu)良.

2.反電勢法工作原理分析目前SLBLDCM轉(zhuǎn)子位置檢測方法繁多，歸納起來如下表1所示.

其中，反電勢法相較于電感法，狀態(tài)觀測器法，電動(dòng)方程計(jì)算法等方法具有原理簡明，不需要大規(guī)模計(jì)算，不依賴系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，精度高的優(yōu)點(diǎn)，在SLBLDCM控制中得到廣泛應(yīng)用.反電勢法中，反電勢過零檢測法--低通濾波法相較于其它方法系統(tǒng)精簡，精度高，不依賴于逆變器調(diào)制方式.綜合考慮，本文中位置檢測采用反電勢法--反電勢過零檢測法--低通濾波法.下面對(duì)這種方法的原理作具體分析.

反電勢為轉(zhuǎn)子磁鋼在定子繞組中感生出的電勢，它的幅值和相位都與轉(zhuǎn)子密切相關(guān).

圖1表示出了轉(zhuǎn)子位置與反電勢之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

在P1時(shí)刻，為了讓電機(jī)繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)換相，電流從一開始的A相流入，B相流出，變成從A相流入，C相流出，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁鋼在定子B相繞組中感生的反電勢由一開始的負(fù)值向正值過渡.在P2時(shí)刻，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過了30°，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁鋼與定子繞組合成磁鏈成空間垂直關(guān)系，在B相繞組中感生出的電動(dòng)勢為0.過了P2時(shí)刻，定子合成磁勢在定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢變?yōu)檎?對(duì)照?qǐng)D1可以看出，轉(zhuǎn)子換相時(shí)刻和反電勢過零點(diǎn)有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系--從反電勢過零時(shí)刻，延時(shí)30°電角度就是換相時(shí)刻.故可以通過檢測反電勢過零點(diǎn)間接得出換相點(diǎn)，這就是反電勢法的原理.

3.模擬中性點(diǎn)法原理分析根據(jù)上節(jié)的分析，可看出在A.C兩相通電時(shí)，B相懸空，此時(shí)B相上的相電壓就是反電勢，只要檢測出該相電壓就可以得到反電勢過零點(diǎn).

從圖2可以看出，在B相懸空的時(shí)候，其上電流ib為0,對(duì)于絕大多數(shù)電機(jī)，都無中點(diǎn)引出線，相電壓ubn和中點(diǎn)電壓un均不可直接測得，但此時(shí)ubn可由ub-un得出.通過測出端電壓，求出中點(diǎn)電壓，就可以間接得到反電勢.這就是所謂的端電壓法.

關(guān)于如何求出中點(diǎn)電壓的方法，主要有PWM關(guān)斷檢測法和模擬中性點(diǎn)法.PWM關(guān)斷檢測法在開關(guān)管PWM關(guān)斷期間檢測端電壓，以直流電源的一半作為中點(diǎn)電壓，得出反電勢.此法受PWM調(diào)制的影響，且在重載情況下PWM占空比接近100%,PWM關(guān)斷時(shí)間極小，給檢測端電壓帶來困難.模擬中性點(diǎn)電壓反電勢過零檢測法引入低通濾波器，對(duì)電機(jī)端電壓濾波，消除PWM調(diào)制，換相時(shí)因繞組電流變化引起的電抗電勢等干擾信號(hào)，然后與參考電平比較.此法不受限于調(diào)制方式，其對(duì)應(yīng)的原理電路如圖3所示.

模擬中性點(diǎn)反電勢過零點(diǎn)檢測法中，A.B.C三相端電壓經(jīng)低通濾波器后，求和得出模擬中性點(diǎn)，濾波后的端電壓再與此模擬中性點(diǎn)相比較就得出過零點(diǎn).下面對(duì)這種方法開展數(shù)學(xué)分析.

設(shè)A.B兩項(xiàng)導(dǎo)通，C相懸空，由于A.B兩項(xiàng)完全對(duì)稱，故PWM調(diào)制信號(hào)為1時(shí)，電機(jī)中點(diǎn)電壓為母線直流電壓的一半ud/2,PWM調(diào)制信號(hào)為0時(shí)，電機(jī)中點(diǎn)電壓為0,統(tǒng)一記為upwm/2.又設(shè)低通濾波器通帶增益為1,則有：

經(jīng)低通濾波器濾波后，端電壓中的高頻分量被濾除，只有PWM信號(hào)中的直流分量和反電勢保存下來，則有：

其中α為PWM斬波信號(hào)的占空比.

θ為低通濾波器導(dǎo)致的相位延遲.由式（4）.（5）.（6）可以得出，濾波后的模擬中性點(diǎn)電壓為：

因?yàn)閍.b兩相導(dǎo)通，反電勢大小相等，方向相反，故‘'

ea+eb=0,式（7）