無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器技術(shù)的新發(fā)展
呂魯瑩，陳敏祥（浙江大學(xué)，浙江杭州310027）
摘要：介紹了幾種無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法的新趨勢(shì)，并論述了它們的基本原理、實(shí)現(xiàn)方法、優(yōu)缺點(diǎn)和改進(jìn)策略。
關(guān)鍵詞：無(wú)位置傳感器；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；位置檢測(cè)
中圖分類(lèi)號(hào)：tm30 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼ja 文章編號(hào)：1004 -7018 (2008) 09 -0056 -04
0引言
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能好、效率高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、控制方法靈活多變等諸多優(yōu)點(diǎn)，故其應(yīng)用范圍遍及各個(gè)領(lǐng)域，并且日趨廣泛【1】。但是傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用附加的位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，不僅增加了成本和電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，而且在某些高溫、高壓或者強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中，位置傳感器會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性或者根本無(wú)法安裝。因此，實(shí)現(xiàn)無(wú)位置感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制成為近年來(lái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要方向之。
目前，大多數(shù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制都采用反電勢(shì)檢測(cè)法和開(kāi)環(huán)起動(dòng)技術(shù)（又稱(chēng)三段式起動(dòng)法）。反電勢(shì)法【2】是迄今為止最成熟、最常見(jiàn)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法，在應(yīng)用上具體地可分為三種：反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)法、反電勢(shì)積分及參考電壓比較法、反電勢(shì)積分及鎖相環(huán)法。由于廈電勢(shì)幅值與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，因此反電勢(shì)法都不適合于低速范圍。而目前廣泛采用的開(kāi)環(huán)起動(dòng)技術(shù)，它的成功實(shí)現(xiàn)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電機(jī)參數(shù)、外施電壓、加速曲線等諸多因素有關(guān)，如果控制不當(dāng)，很容易導(dǎo)致電機(jī)失步甚至起動(dòng)失敗。如今．隨著磁性材料、電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)不同的性能需求和使用場(chǎng)合（尤其是在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和低速運(yùn)行范圍），人們已經(jīng)提出了諸多新型的無(wú)位置傳感器控制方法。本文詳細(xì)介紹r目前研究較多的幾種控制
1定子繞組電感法
定子繞組電感法是近年來(lái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制研究的熱門(mén)方向之一。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于不同的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)生的磁鏈不同，從而定子繞組的電感值也不同。根據(jù)這一性質(zhì)，可通過(guò)檢測(cè)電感的變化來(lái)判斷轉(zhuǎn)子的位置。定子繞組電感法****的優(yōu)點(diǎn)是，即使在零速?zèng)]有反電勢(shì)時(shí)也能有效地檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置：
早期的文獻(xiàn)[3]針對(duì)繞組星型接法的內(nèi)嵌式(ipm)直流無(wú)刷電機(jī)提出了電感測(cè)量法。當(dāng)兩相繞組電感量相等時(shí)刻即對(duì)應(yīng)于反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)繞組中性點(diǎn)電位為直流側(cè)中點(diǎn)電壓。文中對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，盡管低速時(shí)反電動(dòng)勢(shì)很小，但中性點(diǎn)電位代表了位置信息，調(diào)速范圍可達(dá)到500 -7 500r／min．
后兩年，普適性較強(qiáng)、較為成熟的定子繞組電感法（即該方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無(wú)特殊要求）是根據(jù)定子鐵心非線性磁化特性，即靠近轉(zhuǎn)子永磁極的定子能被強(qiáng)烈磁化[4-6]。由于定子存在鐵心磁飽和現(xiàn)象，所以靠近磁極的定子繞組按照順磁方向電流的變化率大于逆磁方向的電流變化率。轉(zhuǎn)子不同位置時(shí)，通過(guò)pwm變換器給定子繞組在固定的時(shí)間內(nèi)加恒定的電壓矢量，則流過(guò)定子繞組的電流值不同，通過(guò)比較其電流值的大小可以確定轉(zhuǎn)子磁極的位置。定子繞組電感法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置分為兩個(gè)階段：一是位置的初步估計(jì)；二是位置的精確估計(jì)。如圖l所示，建立d-q坐標(biāo)軸平面，其中d軸方法的基本原理、應(yīng)用場(chǎng)合、優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)策略。是轉(zhuǎn)子n極位于相應(yīng)的定子繞組的軸線時(shí)的相對(duì)位置，此時(shí)對(duì)應(yīng)定子繞組電感值最小。主電路中三對(duì)橋臂分別設(shè)為開(kāi)關(guān)函數(shù)，利用矢量的概念把主電路對(duì)應(yīng)的八種通斷狀態(tài)用矢量表示，根據(jù)實(shí)際情況，圖中只給出了六種通斷狀態(tài)的矢量表示。
 電機(jī)起動(dòng)時(shí)，把一對(duì)大小相同、方向相反的電壓矢量在采樣時(shí)間r分別加在對(duì)應(yīng)相定子繞組上，通過(guò)對(duì)主電路中直流環(huán)電流值的采樣、保存、比較后得出結(jié)果。在位置估計(jì)的第二階段，把包含在d軸右半坐標(biāo)平面的一對(duì)電壓矢量在t內(nèi)分別加在對(duì)應(yīng)相定子繞組上。對(duì)直流環(huán)的電流值采樣、保存，并且與前面獲得的電流采樣值比較，從而可以進(jìn)一步確定轉(zhuǎn)子位置。例如，第一階段，在電機(jī)上分別加電壓矢量v 1與v 4，通過(guò)對(duì)直流環(huán)的電流值采樣后分別得到i 1與i 4比較、i 1與i 4的大小，可以把d軸（轉(zhuǎn)子磁極北極）位置初步確定在180度電角度范圍內(nèi)。第二階段，把電壓矢量v 2與v 6在t內(nèi)分別加在對(duì)應(yīng)的定子繞組上，在導(dǎo)通時(shí)期的最后時(shí)刻對(duì)直流環(huán)電流i 2 |
