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無位置傳感器BLDCM起動方法的改進

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:4610

   摘要:分析了常規無位置傳感器無刷直流電動機(BLDCM)起動過程中電流過大的問題,引人電流閉環對無位置傳感器BLDCM起動方法進行了改進,解決了起動時電流較大的問題。對電流閉環起動方法加速過程以及穩態運行時的仿真研究表明,該改進措施不僅可以解決起動電流過大的問題,而且具有較好的穩態和動態響應速度。    

0引  言

   近年來,隨著稀土永磁材料的發展,永磁無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)得到迅速推廣。因其體積小、結構簡單、可靠性高、易于控制等特點,BLDCM受到普遍關注,廣泛應用于伺服系統、醫療器械以及家用電器等國民經濟的各個方面。傳統BLDCM控制系統的位置傳感器帶來諸多不便,因此,現代BLDCM控制系統多采用無位置傳感器控制技術,目前比較成熟的無位置傳感器運行控制方法有多種,但反電動勢檢測法是最簡單且實用的方法。但是由于無刷直流電動機在靜止或者低速時反電動勢為零或者很小,無法用來判斷轉子位置,因此反電動勢檢測法需要采用特殊的起動方式。進而,需要尋找一種有效的起動方法,使電動機在靜止狀態下可以起動。而目前均采用開環三段式起動。采用開環起動方式時,起動電流較大,起動電流大約為穩態電流的5倍,會使電機的過流保護裝置動作,甚至不能起動。較大的起動電流會導致較大的起動壓降,影響其他用電設備,因此必須采取措施限制起動電流的大小。針對以上問題,

本文提出了一種實用的無位置傳感器BLDCM外同  步單閉環(電流環)起動、自同步雙閉環穩定運行的  方法,此方法起動效果較好,不影響穩態和動態運  行。仿真結果驗證了此方法的可行性。      

?BLDCM控制原理  

 圖1  BLDCM反電動勢和電流曲線

BLDCM要采用外同步的方法進行自起動、加  速、直到電機產生的反電動勢足夠大,再切換到電機的自同步運行方式,這個過程稱為三段式起動技術。本文以兩相導通星形三相六狀態為例,分析BLDCM數學模型及特性,

BLDCM反電動勢和相電流關系如圖1所示。為了便于分析,并作如下假設:

   (1)三相繞組完全對稱,氣隙磁場為方波;

   (2)忽略換相過程和電樞反應等的影響;

   (3)磁路不飽和;

   (4)不計渦流和磁滯損耗。

則三相繞組的電壓平衡方程可表示為:  (1)

                                              (2)

                                       (3)

                                                   (4)

式中:u、i、e分別為定子繞組相電壓、相電流和相感應電動勢列向量;r、L和M分別為對角元素皆為r、L、M的對角陣;r、L、M分別為繞組相電阻、自感和相間互感;p為微分算子;ω為機械轉速;Te為電磁轉矩;TL為負載轉矩;B為阻尼系數;J為轉動慣量常數。式(3)中,“一”和“+”對應電機正轉和反轉。E為梯形渡反電動勢幅值,K為電動機感應電動勢系數。

  圖2無位置傳感器BLDCM控制系統原理框圖

由以上描述的BLDCM數學模型,建立BLDCM原理框圖,如圖2所示。由此圖可知,BLDCM在穩態運行時,采用轉速、電流雙環控制。速度調節器(ASR)采用Pl算法,速度給定信號n*與反饋信號n送給ASR,其輸出作為相電流信號的參考幅值is*通過位置檢測器輸出的轉子位置確定相電流的邏輯關系,從而由定子繞組電流發生器產生三相參考電流ia*、ib*、ic*與電流信號的反饋值ia、jb、ic送給電流調節器(ACR),采用滯環控制,形成PWM調制波,控制逆變器輸出電壓。反電動勢過零檢測單元通過檢測BLDCM的端電壓,確定過零點,通過位置檢測器得到轉子位置信號,控制相電流邏輯和逆變橋導通邏輯。對此原理圖仿真建模,得到的三段式起動A相電流如圖3所示,此方案中的穩態電流為9 A。由圖3可知,起動電流為39.5 A,大約是穩態電流的4.3倍,即起動電流較大,為了確保系統的可靠性,所以必須采取措施限制起動電流。為此,本文提出了一種新穎的起動電路,將在下節詳細討論。

    圖3 三段式起動電流曲線

2  電流閉環起動技術

2.1電流閉環起動原理

   本文提出的電流閉環起動技術,解決了起動時電流較大的問題,確保了控制系統的穩定性。整個系統原理框圖如圖4所示,它是在圖2的基礎上在&單元與逆變器單元之間增加了電流閉環起動和信號選擇單元,如虛線框內所示。本方案采用“連續兩次”定位的方法,確保定位成功。根據定位后的轉子初始位置,仿真電機在雙閉環控制條件下的運行過程,把此時的仿真結果作為給定的加速曲線nref設入電流閉環起動電路。對于加速過程,它的原理如圖5所示,對于給定加速曲線nref通過位置檢測器產生BLDCM轉子相應的位置,從而產生逆變橋的邏輯開通信號,保證在任意時刻,只有兩個管子同時導通。通過位置檢測器得到的BLDCM轉子位置,可以確定定子三相電流的邏輯關系,因此將給定電流曲線iref經過定子電流發生器,產生三相定子參考電流ia*、ib*、ic*,與反饋的三相定子流ia、ib、ic,產生電流誤差信號△i,該誤差信號經過滯環PWM控制器,產生適當的基極驅動信號,并且與邏輯控制

信號進行與操作,送與逆變橋作為各基極觸發信號。通過調節給定電流曲線的形狀和大小,即調節規律為:在某一時刻,當n<nref時,增加此時刻iref值,反之,則減小iref值,經過多次試驗調節,使BLDCM轉速n與給定加速曲線nref相吻合,達到閉環起動的目的。與傳統開環起動相比較,該起動方法可以確保起動電流較小,保證整個控制系統起動的可靠性。

  圖4  電流閉環起動系統原理框圖

  圖5電流閉環加速起動原理框圖

   電機起動加速到足夠高的速度以后,就能夠準確地檢測到反電動勢的過零點信號,則可以從外同步運轉切換到根據反電勢過零點信號來運轉,即自同步運轉,此功能由圖4中的信號選擇電路來實現,

2.2電流閉環起動電路仿真

   本文基于Matlab/Simulink建立了BLDCM電流閉環起動系統的仿真模型,仿真參數設置:r=3Ω,L=20 mH,M=6.7 mH,J=5×l0ˉ3kg·㎡,阻尼系數B=13.6×10N-m·s/rad,感應電動勢常數Ke=0.065 V·s/rad。轉速PI調節器的參數:Kp=20,Ki=100。電流滯環PwM控制器的環寬為O.05。逆變器直流電源:Udc=300 V。

   在電機定位基礎上,進行電流閉環起動的仿真。圖6為在給定的加速曲線下,不同起動方式對應的轉速曲線,由此圖可知,本文提出的電流閉環起動方法所得到的實際轉速曲線,與三段式起動轉速曲線相比,能更好地跟蹤給定加速曲線,切換之后(仿真中切換速度取460 r/mjn)電機能迅速地達到穩態,不出現振蕩現象。圖7為不同起動所對應的A相繞組電流,從圖7可以明顯看出,電流閉環起動的最大電流只有20 A,大約為開環起動電流的l/2,即此方案解決了起動時電流較大的問題。

                                  

圖6不同起動方式對應的轉速曲線                   圖7不同起動方式對應的起動電流

2.3穩態運行仿真

   BLDCM系統負載轉矩LL=1 N·m恒定,在t=2 s時刻,轉速由600 r/min階躍為520 r/min,可以得到系統轉矩和轉速、A相電流和A相反電動勢波形分別如圖8和圖9所示。由仿真波形可知,系統速度響應快速且穩定。轉速超調量σ=0.11%,上升時間tr=0.46 s,在仿真時間t=2 s時刻,轉速發生階躍,而系統仍能迅速達到穩態,這表明系統具備良好的快速響應和動態性能。圖9為A相電流和反電動勢波形,由該圖可知,系統穩態運行時,具有

理想的電流和反電動勢波形。

                    

(a)電磁轉矩曲線      (b)轉速響應曲線              圖9  A相電流和A相反電動勢波形

圖8電磁轉矩和轉速響應曲線                          

3   結語

   本文提出了一種新穎的無位置傳感器BLDCM的電流閉環起動方法,對此方法進行了分析和建模,并用仿真結果證明了理論的正確性。此方法解決了起動電流較大的問題,提高了系統的穩定性和可靠性,具有一定的理論研究價值和實際應用價值。

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