李自成 程善美 秦實(shí)宏 蔡凱
(1武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北武漢430073;2華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系，湖北武漢430074)
摘要：在傳統(tǒng)的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零硬件檢測(cè) 無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置方法的基礎(chǔ)上，利用檢測(cè)的任意麗路線電壓信號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零信號(hào)，從而得到其過(guò)零點(diǎn)，再延遲30度電角度即為實(shí)際的換相信號(hào).基于該反電動(dòng)勢(shì)軟件計(jì)算法構(gòu)建了無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制調(diào)速系統(tǒng)，仿真和試驗(yàn)均表明：該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確估算換相信號(hào)，具有較好的動(dòng)、靜態(tài)特性和抗負(fù)載擾動(dòng)能力。 關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；無(wú)位置傳感器；調(diào)速；數(shù)字信號(hào)處理器中圖分類號(hào)：TM 301.2：TM 33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673—6540(2010)08-0029-03
0 引 言
永磁無(wú)刷電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)和定子繞組形式的不同分為具有正弦波反電動(dòng)勢(shì)的永磁同步電機(jī)和具有梯形波反電動(dòng)勢(shì)的無(wú)刷直流電機(jī)兩大類一。一般采用三相六狀態(tài)120.導(dǎo)通方式，在一個(gè)電周期內(nèi)需要六個(gè)關(guān)鍵的換相信號(hào)，因此轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)必不可少。通常采用三個(gè)霍爾傳感器來(lái)得到六個(gè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。此外對(duì)于高精度的伺服控制領(lǐng)域，還需要光電碼盤(pán)來(lái)得到更高精度的位置和轉(zhuǎn)速信息。位置傳感器的使用無(wú)疑會(huì)增大電機(jī)本體的成本和體積，并降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。因此，對(duì)無(wú)位置傳感器控制BLDCM調(diào)速系統(tǒng)的研究具有重要的實(shí)際意義.
目前，反電動(dòng)勢(shì)法是轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的主要方法之一，該方法基于不導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)與換相位置相差30度電角度原理，一般通過(guò)硬件方式直接檢測(cè)不導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零得到換相信號(hào)。本文通過(guò)檢測(cè)任意兩路線電壓，經(jīng)軟件計(jì)算，可得到不導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，再延遲30度即為實(shí)際的換相時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)BLDCM無(wú)位置傳感器調(diào)速系統(tǒng)。
1 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)原理BLDCM控制系統(tǒng)一般采用三相電壓源型逆變器，其主電路如圖1所示。
假設(shè)BLDCM三相繞組對(duì)稱，忽略齒槽效應(yīng)和磁路飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗，不考慮電樞反應(yīng)，氣隙磁場(chǎng)近似梯形波，以電機(jī)繞組中點(diǎn)n為參考點(diǎn)，電機(jī)三相繞組的相電壓方程可表示為
在三相六狀態(tài)120度導(dǎo)通方式下，每時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通，如果忽略由于脈寬調(diào)制引起的第：相電流續(xù)流，以Vt1和Vt6導(dǎo)通為例，則a、b兩相電流大小相等，方向相反，c相電流為0,由式(1)可得：
2 無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2為BLDCM無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，控制器采用Microchip公司的高性價(jià)比數(shù)字信號(hào)處理器(Digital signal Processing,DSP)芯片dsPIC30F6010,主要負(fù)責(zé)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置確定及起動(dòng)加速控制策略，轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)和轉(zhuǎn)速的計(jì)算，電機(jī)實(shí)時(shí)控制等。逆變器采用三菱IPM模塊PM30CSJ060.
在上述硬件設(shè)計(jì)中，線電壓信號(hào)的獲取將直接影響無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)的性能。由式(5)、(6)可知，需要用電壓傳感器測(cè)量?jī)陕肪�電壓Uab和Ubc，第三路線電壓Uca=一(Uab+Ubc)得劍，而電壓傳感器測(cè)量的信號(hào)中含有較多的PWM高頻噪聲信號(hào)。因此，需要濾波電路對(duì)電壓傳感器得到的信號(hào)進(jìn)行處理后再送λ到DSP的AD轉(zhuǎn)換器通道，設(shè)計(jì)濾波電路時(shí)既要使高頻信號(hào)盡可能濾除掉，又要使相移盡量小。圖3為采用一階低通濾波器和二階低通濾波器串聯(lián)后得到的濾波電路。
3 仿真和試驗(yàn)結(jié)果分析基于以上理淪分析，采用本文提出的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法對(duì)BLDCM無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和試驗(yàn)。仿真基于MATLAB/Simulink進(jìn)行整個(gè)控制系統(tǒng)的搭建，仿真中用到的電機(jī)參數(shù)如下：定子電阻2.875η，定子自感8.5mH,定子問(wèn)互感1.6mH，電機(jī)極對(duì)數(shù)為4.圖4為給定轉(zhuǎn)速500r/min起動(dòng)并在0.3s突加0.6N.m負(fù)載得到的轉(zhuǎn)速、電流和轉(zhuǎn)矩仿真波形，由圖可看出采用反電動(dòng)勢(shì)法進(jìn)行元位置傳感器控制時(shí)具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。
試驗(yàn)時(shí)分別進(jìn)行了無(wú)位置傳感器控制和帶霍爾傳感器控制，并對(duì)兩者試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。圖5為給定轉(zhuǎn)速由400r/min突變?yōu)?600r/min條件下有位置傳感器和無(wú)位置傳感器控制得到的轉(zhuǎn)速波形.由于采用相同的PI參數(shù)，因此在轉(zhuǎn)速給定突變時(shí)，兩種控制方式下得到的實(shí)際轉(zhuǎn)速波形大體一致.
圖6和圖7分別為給定轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí)，在有位置傳感器和無(wú)位置傳感器控制下突加負(fù)載得到的轉(zhuǎn)速和電流波形。采用無(wú)位置傳感器控制在突加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速變化要稍大于帶位器傳感器控制，但轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)波形要優(yōu)于帶位置傳感器控制，這主要是由于實(shí)際的霍爾傳感器安裝時(shí)本身就存在誤差，說(shuō)明采用本文攔出的無(wú)位囂傳感器控制策略具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。
4 結(jié) 語(yǔ)：本文通過(guò)測(cè)量BLDCM的任意兩路線電壓來(lái)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，從而能準(zhǔn)確獲得無(wú)刷BLDCM的轉(zhuǎn)子位置換相信號(hào).該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需虛構(gòu)電機(jī)中點(diǎn)，也不需要深度濾波電路，仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明，采用本文提出的BLDCM無(wú)位置傳感器控制策略可以保證系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性，適用于通用的BLDCM調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合。 |
