基于線電壓的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)方法

基于線電壓的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)方法

1機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，速度性能好，運(yùn)營效率高，控制簡單。它在許多行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的無刷直流電機(jī)需要位置傳感器得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)對(duì)三相繞組進(jìn)行換相控制，但位置傳感器增大了電機(jī)的體積和成本，同時(shí)不能適應(yīng)高溫、高濕等惡劣的工作環(huán)境，傳感器連線較多，易受外界信號(hào)干擾，降低了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。因此，無位置傳感器控制成為無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前，反電動(dòng)勢過零檢測法是無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算的主要方法，傳統(tǒng)的反電動(dòng)勢法大都采用端電壓與構(gòu)造的電機(jī)中點(diǎn)來間接得到反電動(dòng)勢過零信號(hào)，一般采用硬件電路實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)都利用直流母線電壓中點(diǎn)來重構(gòu)電機(jī)中點(diǎn)，通過端電壓的測量來得到反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，而實(shí)際上重構(gòu)的電機(jī)中點(diǎn)與電機(jī)中點(diǎn)的電位并不總是相等，并且用硬件方法檢測，由于開關(guān)噪聲等原因容易產(chǎn)生反電動(dòng)勢誤過零信號(hào)。因此采用重構(gòu)電機(jī)中點(diǎn)的反電動(dòng)勢過零硬件檢測方法雖然方法簡單，但誤差較大，特別是在低速時(shí)不能滿足控制要求。文獻(xiàn)給出了利用兩相端電壓的平均值之差來得到反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，在采用上管PWM下管恒通調(diào)制方式下得到了試驗(yàn)結(jié)果，但在此PWM調(diào)制方式下，仍然忽略了電機(jī)中點(diǎn)與直流母線電壓中點(diǎn)的電位差，從而導(dǎo)致反電動(dòng)勢過零點(diǎn)信號(hào)檢測誤差，并帶來較大的轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)誤差。文獻(xiàn)提出了利用線電壓之差對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行辨識(shí)，該方法是在假設(shè)導(dǎo)通的兩相電流相等即非導(dǎo)通相無續(xù)流的理想條件下得出的，而實(shí)際上未導(dǎo)通相在換相時(shí)和非換相時(shí)都可能存在續(xù)流現(xiàn)象，從而導(dǎo)致導(dǎo)通的兩相電流并不總是相等，并且也沒有給出在無位置傳感器控制下的轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)試驗(yàn)結(jié)果。本文通過對(duì)無刷直流電機(jī)在三相六狀態(tài)控制下的理論分析，提出一種利用線電壓實(shí)時(shí)計(jì)算得到未導(dǎo)通相反電動(dòng)勢過零點(diǎn)的全新方法，推導(dǎo)了傳統(tǒng)的直接反電動(dòng)勢檢測方法中電機(jī)中點(diǎn)與直流母線中點(diǎn)電位之間的關(guān)系，從而證明了在全橋PWM調(diào)制方式下由于未導(dǎo)通相在非換相期間無續(xù)流現(xiàn)象而適用于本文提出的無位置傳感器控制方法，并在仿真和實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。2基于反向電勢的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)位置估算原理2.1功率器件的計(jì)算無刷直流電機(jī)主電路如圖1a所示，電機(jī)采用兩兩導(dǎo)通控制方式，在一個(gè)電周期內(nèi)需要6個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)子位置換相信號(hào)，如圖1b所示。假設(shè)無刷直流電機(jī)三相繞組對(duì)稱，則三相電壓方程可以表示為式中ua,ub,uc——三相定子端電壓；ia,ib,ic——三相定子電流；un——電機(jī)中點(diǎn)電壓；由于電機(jī)中點(diǎn)n一般不引出，所以相電壓無法直接測量，因此考慮線電壓，將上述三相相電壓兩兩相減就可以得到線電壓表達(dá)式式中p——微分算子；R——定子電阻；其中L=Ls-LmLs——定子相繞組自感；進(jìn)一步考慮線電壓的差值，以其中的兩路線電壓為例，將uab與ubc相減得到假設(shè)a相和c相導(dǎo)通，b相不導(dǎo)通，則ea+ec=0,而由電機(jī)三相定子繞組Y形聯(lián)結(jié)可知，ia+ib+ic=0，則式（3）可以簡化為即顯然，b相反電動(dòng)勢值與線電壓、電機(jī)參數(shù)R和L、b相電流有關(guān)，為簡化計(jì)算，如果b相電流在b相不導(dǎo)通時(shí)總是為0，即沒有電流從b相流過，則上式的后面兩項(xiàng)就恒為零，從而可以大大簡化b相非導(dǎo)通時(shí)反電動(dòng)勢的計(jì)算。對(duì)無刷直流電機(jī)而言，在換相期間三相繞組一般都有電流流過，即b相電流在換相時(shí)不為零（圖1b中的90°、150°、270°和330°附近）。但是由圖1b可以看出，在b相不導(dǎo)通時(shí)反電動(dòng)勢過零點(diǎn)（圖1b中的120°和300°）遠(yuǎn)離b相的換相點(diǎn)（圖1b中的90°、150°、270°和330°），也就是說b相反電動(dòng)勢過零點(diǎn)附近均為b相非換相期間。為此，只要證明b相不導(dǎo)通時(shí)，在非換相期間b相無電流續(xù)流，則式（5）可以化簡為這樣，b相不導(dǎo)通時(shí)其反電動(dòng)勢只與線電壓有關(guān)，因此計(jì)算線電壓的差值，就可以得到b相反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，然后再延遲30°電角度就是該相橋臂功率器件的導(dǎo)通時(shí)刻。同理，根據(jù)以上理論分析，只要能夠證明不導(dǎo)通相在非換相期間無電流續(xù)流，就可以得到ec和ea分別在c相和a相不導(dǎo)通時(shí)非換相期間的表示式2.2電機(jī)中點(diǎn)和直流汽車中點(diǎn)電位等由圖1a,m點(diǎn)為直流母線電壓中點(diǎn)，n為電機(jī)中點(diǎn)，以b相不導(dǎo)通為例，對(duì)VT1和VT2進(jìn)行控制。在b相非換相期間的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)前后一段區(qū)間（圖1b中120°前后一段區(qū)間），可以近似認(rèn)為ea=-ec=E,ia=-ic，在不同的PWM調(diào)制方式下，電流流向有以下四種情況。(1)VT1和VT2導(dǎo)通，三相電壓方程為此時(shí)，un=ud/2，電機(jī)中點(diǎn)與直流母線中點(diǎn)電位相等。(2)VT1導(dǎo)通、VT2斷開、VD5續(xù)流，三相電壓方程為此時(shí)，un=ud，電機(jī)中點(diǎn)與直流母線中點(diǎn)電位不相等。(3)VT1斷開、VT2導(dǎo)通、VD4續(xù)流，三相電壓方程為此時(shí)，un=0，電機(jī)中點(diǎn)與直流母線中點(diǎn)電位不相等。(4)VT1和VT2斷開、VD4和VD5續(xù)流，三相電壓方程為此時(shí)，un=ud/2，電機(jī)中點(diǎn)與直流母線中點(diǎn)電位相等。由以上分析可以看出，在第1和第4種情況下，電機(jī)中點(diǎn)與直流母線電壓中點(diǎn)相等，而在第2和第3種情況下，電機(jī)中點(diǎn)與直流母線電壓中點(diǎn)并不相等。目前常用的PWM調(diào)制方式主要有兩類：雙管（全橋）PWM調(diào)制和單管PWM調(diào)制。全橋PWM調(diào)制方式對(duì)應(yīng)于上述第1、4兩種狀態(tài)，因此在此方式下電機(jī)中點(diǎn)與直流母線電壓中點(diǎn)等電位。單管PWM調(diào)制方式對(duì)應(yīng)于上述第1、2種或第1、3種狀態(tài)，總存在一種狀態(tài)電機(jī)中點(diǎn)與直流母線中點(diǎn)電壓不相等的情況，因此不論采用單管PWM調(diào)制方式中的哪一種方式，在非換相期間電機(jī)中點(diǎn)與直流母線電壓并不總是相等，也不能利用直流母線電壓中點(diǎn)作為重構(gòu)的電機(jī)中點(diǎn)進(jìn)行反電動(dòng)勢過零檢測。2.3dm調(diào)制時(shí)b相不同電壓的導(dǎo)通情況由上節(jié)分析可知，在全橋PWM調(diào)制下，在非換相期間電機(jī)中點(diǎn)與直流母線中點(diǎn)電壓相等，下面說明，正是因?yàn)殡姍C(jī)中點(diǎn)與直流母線中點(diǎn)電位相等，所以不導(dǎo)通相才不會(huì)發(fā)生續(xù)流現(xiàn)象。這里仍以b相不導(dǎo)通為例，說明在全橋PWM調(diào)制方式下未導(dǎo)通相在非換相期間無續(xù)流現(xiàn)象發(fā)生。未導(dǎo)通相非換相期間定義為：從該相完全換流到其他相開始，到下一次換相開始前為止。對(duì)于b相來說，在一個(gè)電周期內(nèi)有兩個(gè)區(qū)間，分別為VT1、VT2導(dǎo)通的區(qū)間和VT4、VT5導(dǎo)通的區(qū)間(圖1b中90°～150°之內(nèi)和270°～330°之內(nèi)的范圍)。下面分析對(duì)VT1、VT2同時(shí)進(jìn)行PWM調(diào)制時(shí)b相繞組的導(dǎo)通情況。當(dāng)VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，三相電壓為式（8）所示，由其第1項(xiàng)可以得到而un=ud/2,ia>0，假設(shè)E為反電動(dòng)勢幅值，則而-E<eb<E，所以-ud/2<eb<ud/2，則由式（8）的第2項(xiàng)ub=eb+un可得0<ub<ud。同理，當(dāng)VT1和VT2同時(shí)關(guān)斷時(shí)，VD4和VD5導(dǎo)通續(xù)流，仍然可以得到0<ub<ud。這樣，不管VT1和VT2是同時(shí)導(dǎo)通還是同時(shí)關(guān)斷，b相端電壓總在0和ud之間變動(dòng)，因此，與VT3和VT6反并聯(lián)的二極管VD3和VD6不會(huì)導(dǎo)通，消除了未導(dǎo)通相b相繞組導(dǎo)通的現(xiàn)象。同理，對(duì)VT4、VT5同時(shí)進(jìn)行PWM調(diào)制時(shí)b相繞組也不會(huì)發(fā)生導(dǎo)通的現(xiàn)象。因此在全橋PWM調(diào)制方式下由于未導(dǎo)通相在非換相期間無續(xù)流現(xiàn)象，這樣，只要檢測任意兩路線電壓，再利用uab+ubc+uca=0得到第三路線電壓，從而通過式（6）和式（7）來對(duì)反電動(dòng)勢過零進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。3反電動(dòng)勢測試基于以上原理，利用Matlab/Simulimk仿真工具搭建無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了辨識(shí)。系統(tǒng)中定子電阻R=2.875?，定子自感Ls=8.5mH，定子互感Lm=1.6mH，電機(jī)極對(duì)數(shù)為4ㄢ采用全橋PWM調(diào)制方式，速度環(huán)選用PI調(diào)節(jié)器。圖2和圖3分別為給定轉(zhuǎn)速為100r/min和1000r/min時(shí)的線電壓ubc、uab,b相反電動(dòng)勢eb,b相反電動(dòng)勢過零信號(hào)seb、估算的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)sb以及b相定子電流ib波形圖。由圖可以看出，由線電壓實(shí)時(shí)計(jì)算的反電動(dòng)勢波形在其過零點(diǎn)有非常好的單調(diào)性，避免發(fā)生誤過零現(xiàn)象。通過計(jì)算反電動(dòng)勢的實(shí)時(shí)值來判斷其過零點(diǎn)，再延遲30°就可以得到對(duì)應(yīng)的換相點(diǎn)，定子電流在該相不導(dǎo)通時(shí)未發(fā)生續(xù)流現(xiàn)象。采用提出的轉(zhuǎn)子位置估算策略能夠真實(shí)辨識(shí)轉(zhuǎn)子位置，可以在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行辨識(shí)。4電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)采用基于dsPIC30F6010為核心的無刷直流電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置，試驗(yàn)用永磁無刷直流電機(jī)參數(shù)為：額定功率180W，輸入電壓220V，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，極對(duì)數(shù)4，額定電流0.94Aㄢ實(shí)驗(yàn)中利用電壓霍爾傳感器檢測ubc和uab，通過簡單的濾波電路濾掉高頻噪聲，因此引入的相移很小，幾乎可以忽略不計(jì)。然后通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后送入DSP的AD通道進(jìn)行同步采樣和轉(zhuǎn)換，最后通過軟件計(jì)算就可以得到三相反電動(dòng)勢過零信號(hào)。圖4和圖5分別為給定轉(zhuǎn)速100r/min和1000r/min時(shí)電機(jī)在無位置傳感器控制下實(shí)際測試的線電壓、計(jì)算的反電動(dòng)勢、反電動(dòng)勢過零信號(hào)和延遲30°的轉(zhuǎn)子位置估算信號(hào)、實(shí)際霍爾信號(hào)以及相電流波形。從圖中可以看出，由線電壓之差得到的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)附近同樣具有較好的單調(diào)性，避免發(fā)生誤過零現(xiàn)象，與仿真結(jié)果基本相同。定子電流在該相不導(dǎo)通時(shí)同樣無續(xù)流現(xiàn)象發(fā)生，辨識(shí)得到的轉(zhuǎn)子換相信號(hào)與實(shí)際的霍爾信號(hào)幾乎完全一致，不管在低速還是中高速都具有較高的辨識(shí)精度，能夠在較寬的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制。圖6和圖7分別為給定轉(zhuǎn)速500r/min時(shí)在全橋PWM和PWM＿ON單管調(diào)制方式下辨識(shí)的轉(zhuǎn)子位置和實(shí)際霍爾傳感器輸出波形，從圖中可以看出全橋PWM方式轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)準(zhǔn)確，而在單管調(diào)制方式下由于電機(jī)中點(diǎn)與直流母線電壓不相等導(dǎo)致非導(dǎo)通相在非換相期間有續(xù)流現(xiàn)象，估算的轉(zhuǎn)子位置偏離實(shí)際的霍爾傳感器位置信號(hào)，因此單管PWM調(diào)制方式不適合本文提出的反電動(dòng)勢過零檢