無刷直流電機的無位置傳感器控制0813

1、無位置傳感器控制技術是無刷直流電機研究的熱點之一，國內(nèi)外相關研究已經(jīng)取得階段性成果。在無刷直流電機工作過程中，各相繞組輪流交替導通，繞組表現(xiàn)為斷續(xù)通電。在繞組不通電時，由于繞組線圈的蓄能釋放，會產(chǎn)生感應電動勢，該感應電動勢的波形在繞組兩端有可能被檢測出來。利用感應電動勢的一些特點，可有取代轉(zhuǎn)子上的位置傳感器功能，來得到需要的換相信息。由此，就出現(xiàn)了無位置傳感器的無刷直流電動機。盡管無位置傳感器控制方式使得轉(zhuǎn)子位置檢測的精確度有所降低，但由于取消了位置傳感器，電機的結(jié)構更加簡單，安裝更加方便，成本降低，可靠性進一步提高，在對體積和可靠性有要求的領域以及不適合安裝位置傳感器的場合，無位置傳感器無刷

2、直流電機應用廣泛。無位置傳感器控制方式下的無刷直流電機具有可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點，同時在一定程度上克服了位置傳感器安裝不準確引起的換相轉(zhuǎn)矩波動。無位置傳感器技術是從控制的硬件和軟件兩方面著手，以增加控制的復雜性換取電機結(jié)構復雜性的降低。以采用120o電角度兩兩導通換相方式的三相橋式Y(jié)接無刷直流電機為例，討論基于現(xiàn)代控制理論和智能算法的無刷直流電機無位置傳感器控制方法。轉(zhuǎn)子位置間接檢測法目前無刷直流電機中主要采用電磁式、光電式、磁敏式等多種形式的位置傳感器，但位置傳感器的存在限制了無刷直流電機在某些特定場合的應用，主要體現(xiàn)在：1、 位置傳感器可使電機系統(tǒng)的體積增大；2、 位置傳感器使電機與

3、控制系統(tǒng)之間導線增多，使系統(tǒng)易受外界干擾影響；3、 位置傳感器在高溫、高壓和濕度較大等惡劣工況下運行時靈敏度變差，系統(tǒng)運行可靠性降低4、 位置傳感器對安裝精度要求較高，機械安裝偏差引起的換相不準確直接影響電機的運行性能。無位置傳感器控制技術越來越受到重視，并得到了迅速發(fā)展。依據(jù)檢測原理的不同，無刷直流電機無位置傳感器控制方法主要包括反電勢法、磁鏈法、電感法及人工智能法等。反電勢法反電勢法（感應電動勢過零點檢測法）目前是技術最成熟、應用最廣泛的一種位置檢測方法。該方法將檢測獲得的反電勢過零點信號延遲30o電角度，得到6個離散的轉(zhuǎn)子位置信號，為邏輯開關電路提供正確的換相信息，進而實現(xiàn)無刷直流電機的

4、無位置傳感器控制。無刷直流電機反電勢過零點與換相時刻的對應關系如圖所示，圖中eA、eB、eC為相位互差120o電角度的三相梯形波反電勢，Q1Q6為一個周期內(nèi)的6個換相點，分別滯后相應反電勢過零點30o電角度。電流導通區(qū)過零點wtwtwtOOOQ1Q2Q3Q4Q5Q6Q1Q1Q2Q2Q3Q3Q4Q4Q5Q5Q6Q6 目前，反電勢法的關鍵是如何準確檢測反電勢過零點，國內(nèi)外研究者對反電勢法進行了深入的研究，已經(jīng)提出了端電壓檢測法、反電勢積分法、反電勢三次諧波法、續(xù)流二極管法及線反電勢法等多種檢測方式。在轉(zhuǎn)速比較低的情況下，感應電動勢不容易測量，所以感應電動勢過零點檢測法不能用于低速場合。1、 端電壓

5、檢測法（反電動勢過零法）端電壓檢測法通過檢測斷電相（非導通相）繞組的端電壓，經(jīng)過軟件計算或利用硬件電路獲得反電勢過零點，從而控制無刷直流電機正確換相。由端電壓信號經(jīng)過軟件計算得到反電勢過零點的推導過程如下所述。無刷直流電機的數(shù)學模型為式中：端電壓；中性點電壓；繞組等效電感。以AB相導通、C相懸空為例說明端電壓檢測法原理，如圖所示。AB相導通電流回路圖此時，AB相反電勢處于梯形波平頂處，方向相反；C相反電勢處于梯形波斜坡處，隨轉(zhuǎn)子位置而變化。無刷直流電機繞組A相和B相反電勢及電流的關系為將AB相端電壓相加，得得C相懸空無導通電流，存在，得（1）同理，AC相導通，B相懸空時，有（2）BC相導通、A

6、相懸空時，有（3）根據(jù)（1）（3）式，將端電壓信號經(jīng)過軟件計算，在每個周期內(nèi)就能得到6個相差60o電角度的反電勢過零點，從而為電機正常運行提供換相信息。換相時刻由反電勢過零點延遲30o電角度獲得，延遲30o可以根據(jù)前兩次過零點時間間隔計算得到（忽略該時間間隔內(nèi)轉(zhuǎn)速變化），即式中：第k-1次換相時刻；第k-1次反電勢過零點時刻；第k-2次反電勢過零點時刻。值得注意的是，每組繞組在一個周期內(nèi)有兩個反電勢過零點，因此需要根據(jù)反電勢過零點前后的正負變化或繞組的導通狀態(tài)進行區(qū)別。此外，端電壓檢測電路中需要加入電容進行穩(wěn)壓濾波，導致端電壓產(chǎn)生相移，在軟件算法中需要根據(jù)硬件電路的實際參數(shù)進行適當?shù)南嘁蒲a償。

7、2.反電勢積分法反電勢積分法將懸空相反電勢的積分量與門限值進行比較，當反電勢積分量達到門限值時，即為該相繞組的換相時刻。反電勢積分信號與換相時刻關系圖反電勢電壓接近線性變化，其斜坡部分函數(shù)可以寫為當非導通相反電勢過零點時反電勢積分器開始工作，有式中：反電勢斜坡部分斜率；積分器輸出電壓；積分器增益常數(shù)。積分器輸出電壓達到門限值時，停止工作，并輸出換相信號。在下一個反電勢過零點時，積分器重新工作?？刂葡到y(tǒng)換相時刻滯后反電勢過零點30o電角度，因而在換相時刻有式中：門限值；反電勢系數(shù)。采用反電勢積分法進行控制時，應首先根據(jù)上式計算，控制系統(tǒng)將與進行實時比較，以確定換相時刻。該方法的優(yōu)點為控制過程不需

8、要轉(zhuǎn)速信息，通過調(diào)節(jié)門限值大小即可實現(xiàn)電機的超前（超前角必須在30o以內(nèi)）或滯后換相，且對開關信號不敏感；缺點為存在積分累計誤差和門限值設置問題。缺點：1） 如果反電勢過零點不能正確檢測到，那么該技術不能工作；2） 采用電壓比較器來比較積分結(jié)果和參考電壓，而比較器對毛刺、干擾很敏感；3） 對同一系列的電機或同一電機在不同溫升條件下，其反電動勢波形函數(shù)都會有所變化。如果采用固定的參考電壓，則實際的換相角會有所變化，造成電機運行性能的離散性。3.反電勢三次諧波法反電勢三次諧波法利用反電勢的三次諧波確定無刷直流電機的換相時刻。首先，對三相繞組反電勢進行傅里葉分解，得到包括基波在內(nèi)的一系列奇次諧波分量

9、式中：轉(zhuǎn)子電角度。將三式三相反電勢求和，得無刷直流電機的相電壓方程為三相電流之間存在關系將三相電壓相加，并整理得于是，通過積分得到三次諧波磁鏈可知，三相相電壓之和包含有相反電勢的三次諧波分量信息，積分后可以得到三次諧波磁鏈。三次諧波磁鏈的過零點即為繞組換相時刻，如下圖。反電勢三次諧波及磁鏈與換相時刻關系圖因此，如將三相相電壓經(jīng)過軟件處理可以得到三次諧波磁鏈信號，三次諧波磁鏈過零點即為換相時刻。反電勢三次諧波法與端電壓檢測法相比，具有適用轉(zhuǎn)速范圍大、相位延遲小等優(yōu)點；但由于低速時噪聲信號的不斷積累，該方法在積分過程中會產(chǎn)生誤差，造成換相不準確。4續(xù)流二極管法續(xù)流二極管法又稱為“第三相導通法”，它

10、是通過檢測非導通相中反并聯(lián)于逆變橋功率器件上續(xù)流二極管的導通與關斷狀態(tài)來確定轉(zhuǎn)子位置的。下面以AB相導通、C相懸空為例說明續(xù)流二極管法。逆變橋采用的PWM調(diào)制方式。當電機AB相繞組導通時，A相上橋功率器件T1工作在PWM斬波調(diào)制方式，B相下橋功率器件T6處于導通狀態(tài)。當調(diào)制過程中功率器件T1關閉時，A相下橋續(xù)流二極管D4導通，此時逆變橋工作狀態(tài)如下圖。此時，功率器件T1截止、二極管D4續(xù)流，功率器件T6和二極管D4構成導通回路，根據(jù)該導通回路，非導通相的端電壓可以表示為式中：功率器件管壓降；二極管管壓降。非導通相續(xù)流二極管D2若要導通，需要滿足條件將其代入前式，可得在非導通相反電勢接近零點時，

11、存在，則有一般而言，和相對反電勢很小，當反電勢變?yōu)樨撝禃r，非導通相續(xù)流二極管D2中就會有電流通過，該點可近似認為反電勢過零點。因此，通過檢測續(xù)流二極管D2是否導通就能得到轉(zhuǎn)子的位置。續(xù)流二極管法從電流角度鑒別反電勢過零點，靈敏度較高，在一定程度上拓寬了無位置傳感器控制器算法的調(diào)速范圍。但其附加的續(xù)流二極管電流檢測電路需要6個獨立電源，該檢測電路較為復雜。缺點：1）要求逆變器必須工作在上下功率器件輪流處于PWM斬波方式，必須從眾多的二極管導通狀態(tài)中識別出在反電動勢過零點附近發(fā)生的那次導通狀態(tài)；2）逆變器可關斷器件及二極管的導通壓降會造成位置檢測誤差；3）在沒有PWM時，這種控制方式無法工作，即適

12、用于方波電動機，不適用于正弦波電動機；4）實現(xiàn)難度大，必須防止無效的二極管續(xù)流導通信號和因毛刺干擾產(chǎn)生的誤導通信號。此外，這種方法轉(zhuǎn)子位置誤差較大，反電動勢系數(shù)、繞組電感量不是常數(shù)，反電動勢波形不是標準的梯形波等因素都會造成轉(zhuǎn)子位置誤差，這需要一定的補償措施。續(xù)流二極管檢測電路5.線反電勢法在相反電勢法中，繞組換相時刻由相反電勢過零點移相30o電角度得到，移相角與當前電機轉(zhuǎn)速有關。在變速調(diào)節(jié)過程中，基于相反電勢檢測的無位置傳感器控制會出現(xiàn)繞組換相時刻不準確的問題。線反電勢法相對相反電勢法而言，省去了移相角的計算，繞組換相時刻由線反電勢過零點直接得到。線反電勢法提高了變速過程中的換相精度。由圖可

13、知，線反電勢過零點對應無刷直流電機換相時刻，不存在延遲角的計算。在每個周期分別計算線反電勢過零點就可正確得到6個換相信號，無刷直流電機就能根據(jù)該換相信號可靠運行。線反電勢法比較相反電勢法更易于在低速下檢測，適應的轉(zhuǎn)速范圍更廣，同時反電勢法無須利用前次換相時刻移相，因此只需確定線反電勢過零點就可以控制電機正常運行。相反電勢、線反電勢與換相時刻關系圖綜上所述，各種反電勢法的主要思想是根據(jù)繞組反電勢信號獲得轉(zhuǎn)子位置信息，從而實現(xiàn)繞組正確換相，優(yōu)點在于原理簡單、易于實現(xiàn)。磁鏈法不同于反電勢法，磁鏈法是通過估計磁鏈來獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。磁鏈法計算量較大，在低速運行時會產(chǎn)生誤差累計且易受電機參數(shù)變化影響。

14、電感法反電勢法和磁鏈法都是依靠轉(zhuǎn)子磁場的運動判斷轉(zhuǎn)子位置，但當轉(zhuǎn)子靜止時，兩種方法都無法獲得轉(zhuǎn)子位置信息，不能實現(xiàn)電機的自啟動。針對該問題，可以采用電感法來確定靜止轉(zhuǎn)子位置。電感法的基本原理是，首先在繞組中施加方波電壓脈沖并檢測其產(chǎn)生的電流幅值，然后比較電流幅值得知電感差異，最后根據(jù)電感與轉(zhuǎn)子位置之間的關系進而判斷轉(zhuǎn)子位置。電感法對于電機靜止時轉(zhuǎn)子初始位置檢測效果較好，但由于無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置不同時電感差異較小，因此該方法依賴于高精度的電流檢測。人工智能法基于人工智能算法的轉(zhuǎn)子位置檢測基本思想是，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊策略、遺傳算法和人工免疫自適應等理論建立無刷直流電機的電壓、電流與轉(zhuǎn)子位置之間的關系，由測量到的電機電壓、電流信號映射轉(zhuǎn)子位置信號或直接獲得繞組換相信號。人工智能法無需準確的數(shù)學模型，因此適用于非線性系統(tǒng)，對實際控制對象有較好的泛化能力。對參數(shù)變化和量測噪聲具有較強的魯棒性，可有效解決一些傳統(tǒng)和其他現(xiàn)代控制方法難以解決的問題，并提高運動控制的質(zhì)量和效果。反電勢法、磁鏈法、電感法和人工智能法等轉(zhuǎn)子位置檢測方法具有各自的自身局限性，針對不同的 系統(tǒng)性能要求和應用場合可采用不同的控制方法。函數(shù)法函數(shù)法又稱為速度無關位置函數(shù)法，是從一個全新的概念提出的轉(zhuǎn)子位置檢測方法。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從零到高速時都能