无刷直流电机无位置传感器控制

近年来, 国内外均出现了很多的位置信号检测方法, 其中较为成熟的主要有四类: 反电势法、续流二极管法、电感法和状态观测器法。

2.1　反电势法

“反电势法”是迄今为止最成熟、最有效, 也是最常见和应用最为广泛的一种转子位置信号检测方法。这种方法的基本原理就是在忽略永磁无刷直流电机电枢反应影响的前提下, 通过检测“断开相”(逆变桥上下功率器件皆处于关断的那一相) 的反电势过零点, 来依次得到转子的六个关键位置信号, 并以此作为参考依据, 轮流触发导通六个功率管, 驱动电机运转。

这种方法较常用于电枢绕组采用星形接法的“三相六拍- 120?方波型”驱动的永磁无刷直流电机(因为方波电机只需若干个离散的关键转子位置信号)。图1 (a)、(b) 分别给出了一台方波电机的主回路, 反电势波形及逆变器功率器件的触发组合状态。由图1 (b) 可知, 在逆变器供电的任一瞬间, 总有一相其上下桥臂均处于断开状态, 即电机该相绕组是悬空的, 故该相绕组的相电压等于其感生电势。在忽略电枢反应对气隙磁场造成影响的前提下, 可近似认为这一感生电势就等于该相绕组所产生的反电势。检测这一反电势的过零点时刻, 并作适当延迟, 即可得到功率器件的正确触发时刻, 而反电势过零点又可通过相电压或端电压检测得到。

假定在T 0～ T 1 期间, G5、G6 导通, a 相悬空,如图1 (a) 所示, 可知a 相的反电势ea= U an (a 相相电压) , a 相的端电压U ag= U an U ng= ea U ng。在t0时刻, ea= 0, b、c 两相电流相反, 并认为其阻抗相等, 且由反电势波形可知: 此时eb ec= 0, 故U ng=1/2U d , 所以U ag= ea U ng= 1/2U d。只要能检测到U an 或(U ag - 1/2U d ) 的过零时刻, 即可间接检测到ea 的过零时刻。由于该检测点超前于下次换流30?,故可在延迟1/12 逆变周期后, 关断G5, 触发导通G1, 这样可保证电机能连续产生最大平均电磁转矩。重复上述过程, 依次检测ea 的另一个过零点及eb、ec 的全部过零点, 并作同样延迟后, 轮流触发导通a、b、c 三相的上下桥臂, 即可保证永磁无刷直流电机的正确换向时序。根据检测对象的不同, 这种检测方法又可分别叫做相电压法(检测U an )、端电压法(检测U ag )。其中, 端电压法的应用较多。在端电压法中, 为了实现各相端电压的过零检测, 首先可将U ag、U bg、U cg 分别输入一低通滤波装置, 以剔除其中会严重干扰反电势波形, 使得过零点不明确的斩波信号[4 ]; 然后再使用一电压比较器, 分别将各相端电压同零电平比较, 依据比较结果所产生的编码信号进行编码, 来得到转子位置信号。目前, 零电平的选取大多如图2 所示[2 ] , 由V a、V b、V c 经三相对称星形连接的电阻电路的中心点电平V 0 代替。最近国外提出了一种新方法: 把三相反电势(用相电压代替) 首先由方波转化成三相对称正弦波, 再通过星形连接, 得到中心点电平, 来代替零电平。这种方法可得到精确“0”点(三相对称正弦波合成后即为零) , 能减小位置检测误差。

反电势法原理简单, 实现方便, 是目前应用最多的一种无位置传感器的位置检测方法, 但这种方法也有两个弱点, 即: 起动困难和误差补偿。当电机静止时或转速较低时, 反电势为零或很小, 很难通过反电势过零点检测来得到正确的位置信号, 故这种方法严重影响了电机的调速范围, 使得电机起动困难。因而使用这种方法时, 电机通常要进行“三段式”起动, 即“转子定位”、“变频加速”和“状态切换”, 其中第二、三步跟电机的自身特性、负载转矩、外施电压、加速曲线等密切相关, 方法不当, 很容易造成电机失步, 起动失败。电机在由他控式变频调速同步电机状态向无刷直流电机状态切换时, 更是要求反复实验, 软硬件可靠。现在很多应用场合都是通过软件来实现自检和切换[4 ] [6 ]。此外, 反电势法因为忽略了电枢反应对气隙合成磁场的影响, 故在原理上就存在一定的误差。显然, 当反电势过零点和气隙合成磁场(转子励磁磁场和定子电枢反应磁场的合成) 匝链电枢绕组所产生的总的感生电势过零点不重合时, 就会产生转子位置误差, 且反电势系数K e 越小或电机转速越低, 误差就越大, 所以在反电势法的永磁无刷直流电机的无位置传感器控制中, 必须要有一定的误差补偿措施。

2.2　续流二极管法

续流二极管法又称“第三相导通法”, 它是通过反并联于逆变桥功率开关管上续流二极管导通与关断状态的检测来确定转子位置的。这种方法同样适用于120?导通、三相六拍方波驱动的永磁无刷直流电机, 其实现方案的主回路和所要求的功率器件PWM 时序分别如图3 (a)、(b) 所示。下面以T a处于斩波, T b- 处于导通阶段为例来说明其工作原理。当T a 由开通转为关断时, 若绕组自感、互感均为常数, 则C 相的端电压可表示为

式中　ea、eb、ec——分别是a、b、c 三相的反电势

      V CE、V F ——分别是功率器件和续流二极管的正向导通压降

     若要“第三相导通”, 即D c- 导通, 则必须

将(1) 代入(2) , 可得

当ec= 0 时, ea eb= 0, V CE、V F 很小, 可忽略,故续流二级管导通的条件近似为ec< 0, 只要检测D C- 的导通状态, 就可检测到C 相反电势的过零点; 作适当延迟后, 再导通T C- , 如此反复, 即可得正确的换向时序, 依次触发不同的功率管, 带动电机旋转。

续流二级管法其本质还是反电势法, 只是在“断开相”反电势过零点检测上有了一定的改变。这种改变在一定程度上能够拓宽电机的调速范围, 尤其是能拓宽电机调速的下限, 因为续流二级管的导通压降很小, 只要

即可, 而V CE和V F 通常都很小。在有些应用场合, 电机的最低转速甚至能小于100r/min。

但这种方法也有较大的不足:

(1) 它要求逆变器必须工作在上下功率器件轮流处于PWM 斩波方式, 控制的难度较大

(2) 它必须从软、硬件两个方面去除二极管续流导通的无效信号和因毛刺干扰而产生的误导通信号

(3) 这种方法也存在着较大的误差, 当K e 很小或转速较低时,V CE、V F 和反电势相比就不可忽略, 因忽略而造成的误差应有一定的相位补偿措施。正因为以上的缺点和不足, 这种方法现在在国内应用并不是很广泛。

2.3　电感法

电感法有两种形式: 一种是用于凸极式永磁无刷直流电机, 另一种是用于内嵌式磁钢结构的永磁无刷直流电机。第一种电感法主要是通过在起动过程中对电机绕组施加探测电压来判断其电感的变化, 它是“反电势法”中所用到的一种起动技术。因为在凸极机中, 绕组自感L 可表示成绕组轴线与转子直轴间夹角H的偶次余弦函数, 通过检测L 的变化, 就可判断出转子轴线的大致位置, 再根据铁心饱和程度的变化趋势确定其极性, 从而最终得到正确位置信号。这种方法因实现难度较大, 且只能应用于凸极机, 故现在应用也较少。

与第一种相比, 第二种形式才是真正意义上的电感法。在一台内嵌式永磁无刷直流电机中, 绕组电感会因为转子位置的改变而发生相应变化, 通过检测这些变化, 再经过一定计算, 即可得到转子位置信号。当星形接法三相绕组的电感发生变化时,其中点电位V n 就会发生变化。不妨假定图3 中的T a 、T b- 导通, 当ec> 0 时, L b> L a , V n> 1/2U d; 反之, 当ec< 0 时,L b< L a ,V n< 1/2U d; 当且仅当ec= 0时,L b= L a ,V n= 1/2U d。所以, 检测L b= L a 时刻, 即可检测到ec 的过零点时刻。这种方法由国外最先提出, 并在空调压缩机控制上有所应用, 调速范围大概能达到500～ 7, 500r/min。这种方法检测的精度较高、误差较小, 但实现难度也较大, 它需要对绕组电感进行不断的实时检测。

2.4　状态观测器法

状态观测器法即转子位置计算法, 是将电机三相电压、电流作坐标变换, 在派克方程的基础上估算出电机转子位置的一种方法[2 ]。这种方法近年来国外提得较多[9 ]。这种方法检测转子位置信号的基本原理是: 将电机在a2b2c 坐标系下的三相实测相电流和相电压转换至代表转子假想位置的A2B 坐标系下(两坐标系的角度差为$H) ; 再根据该坐标系下的电流由派克方程计算出三相电压值; 比较这一电压和前面经转换所得电压的差值, 就可得函数关系$U = f ($H)。经推导可发现: 当$H→0 时, $U∝ $H, 故可采用一状态观测器来观测$U , 从而获得$H, 即转子位置信号。状态观测器法一般只适用于感应电势为正弦波的永磁无刷直流电机, 且计算繁琐, 对微机性能要求较高。所以这种方法尽管在八十年代末就有人提出, 国外发表的相关文章也很多, 但应用却不是很广泛。只是到了近年, 由于单片机技术的发展, 特别是高性能微处理器DSP (数字信号处理器) 的应用和推广, 该方法才有了一定的应用场合。国外已有人采用TM S320C31、TM S320C30、ADMC330等DSP 芯片实现了该种方法的永磁无刷直流电机无位置传感器控制。

永磁无刷直流电机无位置传感器控制综述 上海大学(200072) 　吕志勇　江建中