無刷直流電機無傳感器速度控制系統(tǒng)-文獻綜述

1、題目：無傳感器無刷直流電機速度控制系統(tǒng)設(shè)計隨著無刷直流電機（）的應(yīng)用越來越廣泛，使用無傳感器控制的驅(qū)動方式已經(jīng)成為研究的熱點和發(fā)展趨勢。本文為無刷直流電機無傳感器控制方式的綜述，總結(jié)了無刷直流電機的無傳感器控制方案研究的現(xiàn)狀、研究方向、進展情況及存在的問題，介紹了多種無位置傳感器情況下無刷直流電機的啟動方式及如何利用電機運行過程中的電磁信號來獲取轉(zhuǎn)子位置信息，以取代位置傳感器的功能，達到良好的控制效果。無刷直流電機具有控制方便、功率密度高、運行可靠、結(jié)構(gòu)緊湊等顯著優(yōu)點，在伺服系統(tǒng)、電動車輛、機器人及家用電器等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但由于位置傳感器帶來的額外費用及無法在苛刻條件下使用等缺陷

2、使得人們不得不開始研究無位置傳感器的控制方式。無傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)之一為利用電機運行過程中的電磁信號來準確推算出轉(zhuǎn)子位置，完成電流換向，實現(xiàn)位置傳感器的功能。在電機靜止或者運行速度很慢的情況下，很難由微弱的電磁信號來獲取準確的位置信號，因此電機的順利啟動也是一個極為關(guān)鍵的步驟。在過去的三十年里，各種各樣構(gòu)思巧妙的無傳感器控制方案被相繼提出，調(diào)速范圍也不斷得到擴展。特別是近年來，隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，大量高速度高精度的微處理器、數(shù)字信號處理器（）相繼問世，在實時性和精度保證下，無傳感器控制方案也向更加復(fù)雜更加智能的方向發(fā)展。結(jié)合了模糊控制、智能控制等先進控制方式的算法大大提高了電機控

3、制系統(tǒng)的魯棒性。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：1.檢測及控制方案：根據(jù)不同的轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)，無刷直流電機的無傳感器控制方案可以大致分為以下幾類：1.反1電動勢法：理想的無刷直流電機的反電動勢及驅(qū)動電流波形如圖1所示：圖1：無刷直流電機的反電動勢及驅(qū)動電流波形常用的無刷直流電機驅(qū)動電路及其等效電路如圖2所示圖2：無刷直流電機的驅(qū)動電路及等效電路（染色部分）1.1傳.統(tǒng)1的反電動勢檢測對于使用120導(dǎo)通方式的全橋驅(qū)動電路，無刷直流電機中在任何時刻都只有兩相是導(dǎo)通的，另一相處于懸空狀態(tài)，因此可以將懸空著的另一相作為傳感器。等人提出了使用反電動勢過零檢測來實現(xiàn)換向的方法1。通過檢測懸空相反電動勢的過零點，并經(jīng)過3

4、0電角度的延時后，就可以得到下一個換向時刻。這是反電動勢過零檢測法實現(xiàn)換向的雛形。為了降低噪聲干擾，提高檢測的精度，需要使用低通濾波器來處理檢測信號。另一方面，延遲30電角度的時間與電機的轉(zhuǎn)動速度有關(guān)，因此在電機加速或者減速運行時，延遲時間精確度會受到影響，進而影響電機的控制性能。同時，由于低通濾波器的引入，濾波帶來的延時也需要考慮。2中詳細討論了反電動勢過零檢測后的相位修正處理方法。以最常用的分壓并經(jīng)過電容濾波來處理檢測信號為例（見圖3），則由于濾波處理帶來的相角移位為（）其中為反電動勢運行頻率。由式（）可知，在不同的運行速度下，低通濾波器帶來的相角移位也不同。因此，需要根據(jù)檢測到的反電動勢

5、來推算出電機的運行速度，以做出準確的相位補償。K3二=乂KTrAF圖：低通濾波器由于反電動勢正比于電機運轉(zhuǎn)速度，在電機靜止或者低速運行時，反電動勢不存在或者很弱，因此增大了檢測的難度，降低了檢測的精度，使得該無傳感器控制方案在靜止或者低速下無法使用。通常的無傳感器控制系統(tǒng)中，首先并沒有使用反電動勢信息，而是使用另外的方法將電機啟動到一定速度后才開始切換到無傳感器控制方案。正是由于反電動勢檢測法的這些特性，電機在低速及高速情況下性能不佳，調(diào)速范圍大體限制在內(nèi)：1.1續(xù).流2二極管通斷檢測法和學者提出了一種間接檢測反電動勢的方法，該方法大大提高了調(diào)速范圍和檢測精度4在以電角度導(dǎo)通的型聯(lián)結(jié)的無刷直流

6、電機中,信號疊加到逆變器的控制開關(guān)信號上，總有一相是開路的。為了實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制，將信號疊加到逆變器的控制開關(guān)信號上，如圖4所示：圖4：在可變斬波控制下的驅(qū)動信號當為狀態(tài)時，即有兩相被激勵時(假設(shè)該兩相為相和相)，則在這兩相中有電流流過；在切換到后的一段時間內(nèi)，由于電感的作用仍然有電流流過。此時三相定子線圈的中位點的電壓為()相端電壓為()其中和為開關(guān)管和續(xù)流二極管的前向壓降，二者的值均很小。當滿足VC-VF(4，時，相低電壓端的續(xù)流二極管就會導(dǎo)通。由于、電壓值很小，當略小于時式()成立。通過檢測該續(xù)流二極管的通斷情況可以得到反電動勢的過零點。如圖所示:51-V萌51-V萌L)%圖：相低電壓端

7、續(xù)流二極管通斷檢測的簡化電路該電路通過檢測各相低電壓端的續(xù)流二極管的通斷情況來間接實現(xiàn)檢測反電動勢過零，是對直接反電動勢過零檢測的擴展。正是由于續(xù)流二極管的高靈敏性，該方案能適用在更低速的情況下。根據(jù)中的數(shù)據(jù)，該方案的調(diào)速范圍為。在的低速情況下就能正常工作，這無疑大大簡化了電機的啟動步驟。由于續(xù)流二極管導(dǎo)通檢測法是在為狀態(tài)下檢測的，因此占空比被相應(yīng)地限制了。過高的占空比將導(dǎo)致處于狀態(tài)的時間過短，增加檢測的難度。同時，為實現(xiàn)高精度的電流檢測，相比傳統(tǒng)的反電動勢過零檢測方法，該方案需要更多的附加電路，一定程度上增加了成本。1.1線.反3電動勢檢測針對傳統(tǒng)的相反電動勢檢測法需要做30電角度移位的缺點

8、，5中提6出了使用線反電動勢過零來作為換向信號的方案。圖6繪出了理想情況下線反電動勢的波形：圖6：無刷直流電機線反電動勢波形從圖中可以看出，線反電動勢過零點即為電流的換向點。理想條件下，該方案略去了與速度相關(guān)的30相角延時，能夠及時得到準確的換向信號。但實際情況下，為了去除高頻噪聲的影響，必須使用低通濾波器來處理得到的信號。這樣必將引入一個由濾波器帶來的信號滯后，影響電機的控制性能。為了解決這個矛盾，中使用了常用的濾波器，然后進行相位補償，根據(jù)由濾波器引入的相位滯后值來估計一個閾值，當線反電動勢到達該閾值時即認為換向時刻到來。實際上，濾波器的相位滯后值仍與電機的運行速度相關(guān)，設(shè)計一個在全速度范

9、圍內(nèi)濾波器帶來的相位滯后值基本不變且能保證濾波效果的濾波器非常困難1。另一方面，該方案沒有改善傳統(tǒng)的相反電動勢過零檢測算法在低速下性能不佳的缺點。因此，該方案適用在低費用及性能要求不高的系統(tǒng)中。1.1可.變4參考電平以上所提到的檢測相反電動勢過零的方法中，均使用電機中定子線圈的中位點的電壓作為參考電平。由于在電機的控制過程中高頻開關(guān)信號導(dǎo)致定子線圈的中位點電壓一直在不斷變化，因此處理相反電動勢時需要使用低頻濾波器濾去高頻成分。在文獻7中8，提出了一種可變參考電平的相反電動勢過零檢測方案。以相懸空時為例，檢測相端電壓，當為狀態(tài)時，（5）當為狀態(tài)時，（6）式（5）中V為逆變器源端直流電壓，式（）中

10、為二極管正向壓降。根據(jù)電機控制速度的需要，當占空比很小時，采用式（）來檢測反電動勢，并注意到低速時的效果不能忽略，因此在檢測到的端電壓上疊加上一，補償偏置；當占空比很大時，采用式（）來檢測反電動勢，此時的參考電平是一。這種方式很大程度上降低了信號引入的高頻噪聲，因此控制性能良好。根據(jù)，調(diào)速范圍可以擴展到。一.三2次諧波法：反電動勢三次諧波檢測也是一種高效的方法。通過對電樞三相相電壓的簡單疊加，反電動勢的基波分量及一些高次諧波分量由于同相而互相疊加，可以從中提取出3次諧波分量在任何轉(zhuǎn)速及負載的情況下3，次諧波分量與轉(zhuǎn)子磁勢總是保持一個恒定的相位差，并且不受逆變器變流干擾的影響一。一通過對三次諧波

11、信號的積分，可以得到轉(zhuǎn)子的磁通信號的三次諧波分量。檢測磁通信號的三次諧波分量的過零點即得到換向信號。由于該方法不像反電動勢檢測法那樣對高頻信號和相移敏感，因此能獲得更高的調(diào)速范圍，也不需要設(shè)計高性能的濾波器。使用反電動勢三次諧波檢測可以達到的調(diào)速范圍。一中0給出了使用反電動勢三次諧波檢測來提高電機性能的另一種途徑：使用精心設(shè)計的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來增加檢測的精度，提高電機的性能。一.智3能方法：智能算法具有較強的自調(diào)節(jié)能力、魯棒性好、對參數(shù)較為不敏感的優(yōu)點。在無刷直流電機運行中，其電磁信號含有大量高頻噪聲，且電機的參數(shù)可能隨著運行時間、外界溫度等參數(shù)而發(fā)生偏移，針對這些特性，可以利用智能算法的自適應(yīng)及強

12、大的泛化能力來實現(xiàn)魯棒控制。文獻一中4利用了模糊邏輯來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置的準確估計，收效良好。一5中均一以6反電動勢檢測為基礎(chǔ)，使用智能算法來改善電機工作性能。中使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器相結(jié)合的方式，以反電動勢檢測為基礎(chǔ)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實時調(diào)節(jié)參數(shù)，以在最大程度上減少由于反電動勢檢測偏差及相移偏差帶來的影響。一中6使用模糊邏輯作為電機轉(zhuǎn)速控制的算法，調(diào)節(jié)占空比，效果優(yōu)于傳統(tǒng)控制方法。使用智能算法來提高電機性能的方案在通常情況下分為兩類，一是建立在反電動勢過零檢測的基礎(chǔ)上，利用智能算法的自適應(yīng)性及泛化能力修正由于反電動勢檢測和相位補償帶來的誤差，另一種情況是設(shè)計觀測器（如卡爾曼濾波器），通過檢測電機

13、電磁信號，結(jié)合電機運行時的狀態(tài)方程，充分利用智能算法較好的容錯性及對參數(shù)不敏感的特性估測轉(zhuǎn)子位置或者磁鏈等信息。引入智能算法大大增加了系統(tǒng)的運算數(shù)據(jù)量及復(fù)雜度，但是隨著高速數(shù)字信號處理器的發(fā)展，實時性和準確性都能得到保證，因此使用智能算法提高控制系統(tǒng)的性能是一個很好的選擇。一.其4他方法：傳統(tǒng)反電動勢過零檢測方法需要相移，中采取了方程來檢測換向點，避免了移相步驟。根據(jù)無刷直流電機的等效電路，有其中則構(gòu)造即為反電動勢項。令由上式可以看出，與電機運行速度無關(guān)。為了消除移相的步驟，與線反電動勢過即為反電動勢項。令零檢測類似，使用線線間的，當出現(xiàn)跳變時即為換向點。這種檢測方式構(gòu)思巧妙，但是檢測得到的電

14、壓、電流信號并沒有經(jīng)過低頻濾波器濾波，因此難免會響檢測的準確性。在另外一種獨特的檢測方式中，只用了四個開關(guān)管，相反電動勢檢測在四個開關(guān)管中實際上相當于通常情況下六個開關(guān)管驅(qū)動的電路中的線反電動勢檢測6。2.啟動方式：對于無傳感器無刷直流電機的控制來說，啟動過程非常重要。只有在電機達到一定的速度情況下才能給檢測電路提供足夠幅度的電磁信號，因此一個好的啟動方式是實現(xiàn)良好控制的必要前提。2.開1環(huán)啟動：無刷直流電機在本質(zhì)上是一個同步電機，開環(huán)啟動就是將直流無刷電機當成一個同步電機來啟動。最常用的是三段式啟動方式。文獻1中8對三段式啟動方案作了深入的探究。初始定位階段，通過對定子兩相線圈的激勵使得轉(zhuǎn)子

15、定位在一個已知的地方，為了減少轉(zhuǎn)子的震動，提供的激勵電流不宜過大。在轉(zhuǎn)子穩(wěn)定后，根據(jù)設(shè)計的轉(zhuǎn)動方向提供相應(yīng)的激勵電流，并根據(jù)實際情況逐漸增大激勵電流的幅值和頻率。1中9提議，對于給定的電機，在一定的電流激勵下，使用一個測速儀測量電機在該激勵電流下的速度變化曲線，則從開始激勵到電機達到最大速度時的時間間隔即為最佳激勵時間，同時，電機轉(zhuǎn)速達到最大的時刻也是換向時刻，換向后重復(fù)這一步驟，直到電機達到一定的速度為止。這種啟動方式的成功率很高，但是局限性也很大，不具備通用性。當使用另外一種電機或者改變電機啟動所帶的負載時，必須重新進行實驗以實現(xiàn)最優(yōu)啟動，這是一個不小的工作量。電機達到足夠的轉(zhuǎn)速時，不能立

16、即由開環(huán)啟動的方式切換到無傳感器控制方式。若作為同步電機啟動時的驅(qū)動信號與無傳感器控制方案得到的驅(qū)動信號之間存在較大的相位差，則很可能會出現(xiàn)失步或者大幅震蕩，最終導(dǎo)致啟動失敗。切換之前必須調(diào)節(jié)使二者之間的相位差小于一定的范圍。2.電2感法啟動：文獻202中1提出了2一2種全新的啟動方式，具有通用性并且能達到30電角度的分辨率。根據(jù)定子鐵芯的磁飽和效應(yīng)，定子線圈的電感會隨著轉(zhuǎn)子位置的不同而改變，使得定子線圈的時間常數(shù)略有變化，因此對于給定的激勵電壓，不同的定子線圈會有不同的電流響應(yīng)。如圖7所示：（）施加的同樣的激勵脈沖，得到各種情況下的電流響應(yīng)，找出其中最大的電流值對應(yīng)的線圈組合，如圖8所示：圖

17、8：啟動電壓向量圖在圖中，由于轉(zhuǎn)子永磁體的影響，使用激勵電壓向量（即激勵線圈組合）時會得到最快的電流響應(yīng)。在激勵電壓施加一段時間后測量各種情況下的電流值即可找出最快電流響應(yīng)的線圈組合，最佳激勵時間可以根據(jù)線圈的時間常數(shù)求出。此時已經(jīng)找出轉(zhuǎn)子的初始位置，第一步完成。找到轉(zhuǎn)子的初始位置后，根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向可以確定接下來的激勵電壓向量。由于此時定子線圈中已經(jīng)有了反電動勢，因此不能再像確定初始位置時那樣來確定轉(zhuǎn)子的位置。假設(shè)此時的激勵線圈為（對應(yīng)激勵電壓向量4,經(jīng)過換向后為（對應(yīng)激勵向量5，則將測試激勵矢量限制在和之間。采用的方式為：使用長脈沖作為驅(qū)動，同時間隔性地使用激勵，并監(jiān)測這兩種激勵下的電流響應(yīng)，

18、當發(fā)現(xiàn)激勵下的電流響應(yīng)快于激勵下的電流響應(yīng)時，開始實施換向。如此循環(huán)，直到電機達到足夠的速度。相比開環(huán)啟動，這種啟動方式具有較好的通用性，在電機類型或電機負載改變時仍能適用。隨著等高速數(shù)字信號處理器的發(fā)展，可以通過多次測量的方式來降低噪音帶來的干擾。該啟動方式的缺點是在加速過程中，由于交替使用了長短兩種激勵電壓向量，且在兩種不同電壓向量激勵下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不同，因此存在轉(zhuǎn)矩波動的問題?？偨Y(jié)：反電動勢過零檢測仍是無傳感器控制方案中的主力軍。該方法應(yīng)用廣泛，發(fā)展臻于成熟，在中速范圍內(nèi)性能良好，且對硬件及軟件要求不高，是低成本中性能控制器的首選方案。如何拓寬反電動勢過零檢測方案的調(diào)速范圍是研究的主要方向2。3在低速范圍內(nèi)，反電動勢三次諧波檢測方案優(yōu)于