无刷直流电机无位置传感器的优化控制方法_钟海峰.pdf
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1、68|电子制作 2023 年 3 月信息工程0 引言近年来,无刷直流电机以其效率利用率高,环保性好,调速性能优异等,得到了越来越广泛的应用。无刷直流电动机的换相是电子控制的,其主要核心是其安装的位置传感器,根据位置传感器的准确性和使用寿命,外界环境等客观因素的影响会导致电机的成本和性能的波动。故其无位置传感器逐渐成为热点的研究话题之一。本文着重于无刷电机过反电动势零点问题和衍生出的换相启动问题进行分析,优化无位置传感器控制方法,简化剔除了滤波,模拟/数字转换器采样端电压等操作,以达到换相精准,稳定性好,简单迅速等目标。1 原理分析 1.1 无刷直流电机原理无刷直流电动机的控制框图如图 1 所示
2、,由霍尔位置传感器信号,功率开关单元信号和控制单元组成。功率开关单元将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电机的定子各相绕组,使电动机产生持续不断地转矩,而功率开关单元的导通和其导通时间控制由霍尔传感器的信号来决定。此处将无刷直流电动机假设为星型接法,采用的是两两导通工作方式,每只开关管导通 120电角度,每隔 60电角度就有一个开关管关断,定一个开关管导通,即工作过程中一定有一个桥臂上的两个开关管灯关断,另外两个桥臂的上下桥臂只有一个开关管导通,同时不考虑集肤,磁滞效应等影响。其控制框图如图 1 所示。由相电压,相电流,反电动势和各绕组的自感互感关系,可以从无刷电机关断一相的端电压波来获取
3、反电动势过零点等信息。根据文献 2 和图 1 可知各相端电压表达式:aabbcciiiaanbbnccndiURLeUdtdiURLeUdtdiURLeUdt=+|=+|=+|式(1)其中aU、bU、cU为电机的三相定子绕组的各端电压;smLLL=(sL为电机定子绕组自感,mL为电机定子绕组互感);ia、ib、ic 分别为电机的三相定子相电流;ea、eb、ec 为电机三相绕组反电动势;nU为电机实际的中性点电位。1.2 反电动势过零分析系统运行时,假设 B 相上桥臂导通,C 相下桥臂导通,A 相处于断开状态。则有 BC 相通电,由(1)式可知此时的ABC 三相端电压关系变化为式(2):abbc
4、ciianbbnccnUeUdiURLeUdtdiURLeUdt=+|=+|=+|式(2)此时为 BC 通电,就两者反电动势和电流之间的关系:bcee=式(3)iibc=式(4)综上(1)、(2)、(3)、(4)可得:1()2nbcUUU=+式(5)其实此时 B 相上桥臂在 PWM ON 时,图 1 的 VT3 和VT2 导通使bU和dU相同(dU为端电压幅值),而cU为 0,则也会有:11()22nbcdUUUU=+=式(6)此时把式(5)代入式(2)中有:无刷直流电机无位置传感器的优化控制方法钟海峰,吴宇(江西理工大学 电气工程与自动化学院,江西赣州,341000)摘要:针对传统的无刷直流
5、电机无位置传感器因滤波而产生的相位误差和电机三段启动繁琐困难等问题。提出了一种通过零点检测来进行绕组换相的控制方法,这一方法解决了传统控制方法的不足,提高了控制的准确性和降低了硬件的复杂性和成本。并且通过实验表明:此判断方法与真实的绕组导通情况和过零点情况一致,并且将与真实的有位置传感器情况下的电动机导通绕组及电动机反电动势和电流关系相对比,结果一致,说明本方法的正确性与可行性。关键词:无刷直流电机;反电动势过零点;无位置传感器控制;端电压检图 1 无刷直流电动机控制框图DOI:10.16589/11-3571/|69信息工程 1()2aabcUeUU=+式(7)以上式(6)和式(7)关系可知
6、:在A相反电动势的为零时,则此时的端电压波形幅值正好为d/2U。所以由此原理可以推断出,在两两导通的模式下将中性点电压与未导通相的端电压对比可以确定反电动势的零点,因为此时中心点的电压nU就为d/2U。但是实际的中心点在电机结构内部,无法通过物理手段将其引出,所以我们需要在外部设计硬件电路模拟中性点,再将此模拟的中性点与检查反电动势做对比即可。故采用重构中性点方法来模拟,根据图 2运用叠加定理和结合式(1)可知重构中心点电压为:11()33sumabcxnUUUUeU=+=+式(8)其中xe为关断的 X 相对应的反电动势。则可推测关断电压的表达式:xxnUeU=+式(9)由(8)和(9)两个式
7、子可知,xU 0 的时候,sumUxU,而反电动势检测电路输出低电平,而当xU 0 时,sumUxU,反电动势检测电路,输出为高电平,完成一个电平跳变。故用比较器检测反电动势检测电路的输出跳变就可以确定反电动势过零点的时刻。图 3 为设计的反电动势检测电路。图 4 为反电动势和各相比较器输出关系。图 3 反电动势过零点检测电路 1.3 电机启动分析以上分析可知能通过反电动势过零点信号来进行换相点的标记,从而进行换相,一般采用三步法启动,但是三步法启动电机时有转速脉动大等缺点。本文给出最多通过两个导通状态就能检测过零点信号,从而快速启动的方法,解决此问题。下面进行举例说明:此时转子的位置如图 5
8、 所示,通入电子的电流为 B 相流入 C 相流出,则产生的磁动势 F1 将会促使转子向图 6 位置方向移动,但是此过程中在 A 相检测不出反电动势过零点信号,此时磁动势 F1 带动不了转子转动。图 4 反电动势和各相比较器输出关系而此时可以改变定子电流流通相序,即将定子电流从 C相流入,A 相流出,其产生的磁动势 F2 如图 6 所示,此时检测 B 相上反电动势过零点信号,刚到达图 7 位置时则 B相反电动势过零点信号跳变,则在延时 30电角度作为换相点进行换相,从而可以快速启动电机。图 5 转子位置 1 图 6 转子位置 2而当转子位置如图 8 时,此时定子电流是由 B 相流入,C 相流出,
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