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一種改進的無刷直流電機轉子位置估計方法研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:4563

摘  要:在分析無刷直流電機位置估計原理的基礎上,提出了一種改進的基于反電動勢過零檢測的轉子位置估計方法;通過檢測電機斷開相端電壓獲得反電動勢的過零點,進而獲取電機位置信息。其特點是無需重構電機中點,檢測電路簡單,適用于任何PWM占空比,且易于在數字信號處理器中實現。實驗結果驗證了方法的有效性。

0  引  言

   目前通過間接檢測轉子位置實現無位置傳感器控制成為無刷直流電機控制領域的研究熱點。最常用的轉子位置估計方法是反電動勢法。張相平等人提出了通過測量斷開相繞組端電壓和電機中性點電壓之間的關系來間接獲得反電動勢。這種方法必須重構電機中性點,而且濾波電路的使用也會導致檢測到的反電動勢過零點信號產生相移。S.Ogasawara等人提出通過檢測逆變器續流二極管的導通來間接獲得反電動勢過零點,其檢測電路需要6路獨立的電源供電,增加系統的成本。J.shao D.Su G J等人提出的控制方法與文獻[3]類似,但該方法反適合某些特定的PWM控制,且不適合高轉速場合。張磊等人提出通過比較電機斷開相繞組端電壓和逆變器直流環中點電壓的關系,直接檢測到斷開相繞組的反電動勢過零點,從而獲得轉子位置信息。但是該方法只對一相繞組的反電動勢進行檢測,通過軟件延時得到6個離散的換向信號,在轉速變化較大的場合有很大的局限性。本文提出了一種改進的轉子位置檢測方法,即通過檢測斷開相的端電壓來獲取反電動勢的過零點,并且根據PWM占空比的變化情況選擇不同的判據獲取反電動勢的過零點,因此逆變器開關管可以工作在任意占空比下。

1轉子位置檢測原理

對于三相星形聯接、兩兩導通、六狀態無刷直流電機,現以A相正導通、B相負導通、C相斷開為例說明本文提出的轉子位置檢測原理。此時無刷直流電機的電壓方程為:

  (1)

對于三相星形繞組而言,此時有:

  (2)

   (3)

從而斷開相電壓為:  (4)

   在PWM波為高電平(S1和S6均導通)期間,忽略各開關管的導通壓降,有:  (5)

將(5)式變形后代入式(4)有: (6)

   類似可以推導PWM波為低電平(S1關斷,S6導通),即電機繞組處于續流階段時有:Uc=e。    (7)

   由式(6)和式(7)可以看出,當反電動勢過零點時,此時斷開相的電壓為VDc/2(PWM為高電平)或者0(PWM波為低電平)。從理論上來講,無論在PWM波為高電平或者低電平時對Uc進行采樣,然后用VDc/2(PWM為高電平)或者0(PWM波為低電平)作為判據,都可以準確地得到反電動勢的過零點,從而得出電機的換向時刻。但是在實際控制中,當電機低速時,PWM的占空比很小,如果這時PWM為高電平時刻進行采樣就很可能因為允許采樣時間太短而出現較大偏差,同理,當電機在高速運轉時若在PWM為低電平時進行采樣同樣是不太可行的。針對這種情況,本文提出當

PWM的占空比高于50%時,在PWM為高電平時對斷開相電壓采樣,以斷開相電壓VDc/2作為反電動勢過零的判據,反之當PWM的占空比低于50%時,則在PWM為低電平時以斷開相電壓等于0作為反電動勢過零的判據。

2  實驗結果

   為了檢驗本文提出的方法的有效性,以數字信號處理芯片TMS320LF2407A為處理器對電機進行實驗。實驗系統框圖如圖1所示。其中電機的主要參數為:UN=36 V;額定轉矩TN=O.4 N·m;額定轉速nN=3 600 r/min;相電阻Rs=0.68 Ω;有效電感Ls=1.5 mH;反電動勢系數Ke=0.07 V/(rad/s);轉動慣量J=1.57×10kg·m。電動機的負載為直流發電機。

    圖1實驗系統框圖

   圖2~圖5給出了PWM占空比D=95%和D=5%兩種情況下的電機實驗曲線。圖2和圖4分別是電機在兩種占空比下的相電流與相電壓曲線;示波器通道1為相電壓曲線,通道2為相電流曲線。如圖所示,在兩種占空比下電機的相電流和相電壓都是同步的,這就克服了傳統的方法中濾波電路帶來的移相的缺陷。為了進一步說明問題,圖3和圖5給出了兩種占空比下分別采用本文提出的位置估計方法所計算的位置信號和采用霍爾傳感器控制時獲得的位置信號的對比情況;其中示波器通道1為相電壓曲線,通道2為本文方法獲得的位置信號,通道3為采用霍爾傳感器獲得的位置信號。從圖中可以看出,無論占空比是高還是低,采用本文提出的方法得到的換向信號與霍爾傳感器輸出的換向信號完全一樣,同時也進一步說明本方法具有寬廣的轉速適應范圍。

 圖2  占空比為95%時電機的相電壓和相電流曲線

 圖3  占空比為95%時位置信號的對比曲線

 圖4  占空比為5%時電機的相電壓和相電流曲線

    圖5  占空比為5%時位置信號的對比曲線

3  結  論

   本文提出了一種新的基于反電動勢過零檢測的無刷直流電機轉子位置估計方法。理論分析和實驗結果表明:本方法無需重構電機中性點,無需移相,通過對瞬時檢測的三相端電壓進行簡單濾波比較后,在任意占空比下都能獲得滿意的控制效果,且該方法易于在數字信號處理器中實現。新方法在無刷直流電動機中具有一定的理論和實用價值。

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