1、無位置傳感器無刷直流電機控制系統仿真譚錦榮,曾岳南廣東工業大學自動化學院,廣東廣州(510006摘 要 介紹了無位置傳感器無刷直流電機控制系統的控制策略,包括基于反電動勢法的轉子位置檢測方法以及/三段式0起動方式,并在M atl ab7.1/S i m u link 平臺上建立了控制系統虛擬原型,對該控制策略進行仿真分析,仿真結果證明了該策略的有效性。關鍵詞 無刷直流電機;無位置傳感器;反電動勢;起動;仿真中圖分類號T M301.2 T M33 文獻標識碼A 文章編號100827281(20080620032205Si m ulation of C on trol Syste m for Se

2、nsor less Brush lessDC M otorTan J inrong and Z e ng Y ue nanAb strac t A strategy of contr ol syste m f or sensorl e ss brushless DC motor is i n tro 2duced i n th is paper ,wh ich incl u des detection me t h od of rotor positi o n based on back 2E MF and three 2stage start 2up method .Based onMa t

3、lab7.1/Si m u li n k ,a virtualmode l of controlsyste m is set up.Th is contr ol strategy is eff ective verified by si m ulation resu l.tK ey wor ds Br ush less DC motor ;sensorless ;back 2E MF ;start 2up ;si m u lation .0 引言無刷直流電機具有體積小、重量輕和效率高的優點,因而近年來在辦公自動化及家電行業中得到廣泛應用。為了降低電機的成本及提高控制系統的可靠性,無位置傳感技術

4、成為今后重要的發展方向。Matlab7.1/Si m uli n k 內含豐富的模塊庫,使得以分析對象的數學模型為基礎的計算機仿真技術實現了模塊化和可視化;同時Powerlib 模塊庫內具有多種標準模塊,當中包括了直流無刷電機模塊。本文基于M atlab7.1/Si m u link 平臺建立了無位置傳感器無刷直流電機控制系統,并對控制方案進行仿真評估。1 控制策略1.1 采用雙閉環結構本控制系統采用雙閉環結構,如圖1,外環為速度環,內環為電流環。根據電機轉子位置信號計算出電機轉速,與速度給定比較得到速度誤差信號,經速度調節后,得到相應的電流給定值,該電流給定值與電動機實際相電流值比較得到電流

5、誤差信號,電流誤差信號經過電流調節所得到的值決定了P WM 占空比,用此P WM 信號驅動三相逆變電路,實現永磁無刷直流電動機轉速控制。 圖1 3雙閉環控制系統方框圖1.2 轉子位置檢測方案采用反電動勢過零檢測方法,其原理為:對于兩兩導通三相六步的無刷直流電機,在任意時刻其三相繞組只有兩相導通,每相繞組正反向分別導通120b 電角度,如圖2所示。通過測量不導通相繞組端子電位及中性點電位,當該端電位與中性點電位相等時,則此時刻該相繞組反電勢過零,經過30b 電角度的延時就必須對功率器件進行換32相,才能獲得最大驅動力矩 。圖2 BE MF 及相電流波形直流電機的A 相等效電路見圖3 。圖3 電機

6、A 相的等效電路由圖3可得,無刷直流電機A 相的電壓方程為 U a =Ri a +L d i ad t+E a +U n同理可得到B 、C 相的電壓方程為 U b =Ri b +Ld i bd t+E b +U n U c =Ri c +L d i cd t+E c +U n式中,U a 、U b 、U c A 、B 、C 三相端子對直流母線負端的端電壓;U n 星形聯結中點對直流母線負端的電壓;i a 、i b 、i c A 、B 、C 三相繞組的相電流;R 各相電阻;L 各相電感;E a 、E b 、E c A 、B 、C 三相反電動勢。由于采用的是兩兩導通方式,所以在每一瞬間只有兩相導通

7、,這兩相電流大小相等方向相反,另一相相電流為零,所以三相電流的總和為零,即i a +i b +i c =0,又由于在反電動勢過零點附近,三相反電動勢總和為零,即E a +E b +E c =0,故有U n =13(U a +U b +U c 。對于不導通相,其電壓方程可寫成:E non-fed=U non-fed -U n =U non-f ed -13(U a+U b +U c 。式中,E no n-f ed,U non-fed 不導通相的反電動勢及端子對直流母線負端的電壓。當U non-f ed -13(U a +U b +U c =0時反電動勢過零,再延遲30b 電角度便得到換相點。由于

8、電機端電壓包含反電動勢和高頻斬波信號,斬波信號的存在會導致過零檢測錯誤,所以應用反電動勢位置檢測電路一般都會包含有低通濾波電路。濾波電路的引入必然會帶來濾波后波形相位滯后,而且滯后的角度與信號頻率有關,因此,必須對滯后的相位進行補償才能得到正確的換相信號 。圖4 BE MF 檢測電路以A 相為例,由圖4可得檢測點電壓U ao 與繞組端電壓U a 之間的關系U a 0U a =R 2R 1+R 2+j #2P #f #R 1#R 2#C 1式中,R 1、R 2分壓電阻;C 1濾波電容;f 反電動勢頻率;n 電機轉速;p 極對數。由此可得相角位移為 A =arctan2P #R 1#R 2#C 1

9、#fR 1+R 2=arctan2P #R 1#R 2#C 1#(n #p /60R 1+R 2換相時應將相角位移考慮進去,即換相延時不再是30b ,而是30b -A 。1.3 電機起動方式采用/三段式0起動法即轉子預定位、外同步加速和自同步切換。預定位時,由控制器決定轉子初始的位置,即給電動機其中兩相繞組通電,產生一個合成磁場。在該磁場作用下,轉子會向合成磁場的軸線方向旋轉,直到轉子磁極與該合成磁場軸線重合。外同步加速是按照預先設置好的換相順序對功率管輪流導通,同時,逐步升高換相頻率,加大外施電壓,直至檢測到反電動勢為止。33第43卷(總第145期電動機起動加速達到一定轉速以后,就可以從外同

10、步的階段轉換到根據反電勢過零信號換相的自同步階段。通常是采用估算的方式來選擇切換速度,本文選擇切換速度為電機額定轉速的15%20%。2 建立仿真模型2.1 電機模塊及逆變器模塊電機模塊采用PO WERL I B 模塊自帶的Per m anentMagnet SynchronousM ach i n e ,同時將電機屬性里的F l u x distribution 項改成Trapez oi d al 。逆變器模塊采用PO WERLI B 模塊自帶的Un i v er 2sa lBridge ,同時將屬性里的Number of bridge ar ms 項改為3,將Po wer E lectron

11、ic device 項改為M OS 2FET /D iodes 。2.2 P WM 生成模塊P WM 生成模塊結合了三角波生成模塊、電機起動及同步切換模塊,如圖5所示 。圖5 P WM 生成模塊三角波由Si m ulink 模塊自帶的signal builder 生成,該三角波與占空比a 作比較,比較結果經滯環relay 處理后,便生成pw m 原始信號。占空比a 在起動階段受ra mp 信號控制,在自同步的雙閉環階段由a _ref 信號控制。e_n 為轉速誤差信號,該信號用以控制雙閉環的接入時機。換向邏輯b 在起動階段由start_co mu 模塊控制,在自同步階段由co mulogic 信

12、號控制。其中step1信號用以控制自同步切換的時間。P WM 信號由pw m 原始信號與constant 信號混合產生,并形成H _P WM 2L_O N 的脈寬調制信號,從而驅動逆變器。2.3 換相檢測模塊換相檢測模塊包括了換相點檢測模塊及換相邏輯模塊,如圖6所示。其中u 、v 、w 分別為電機端電壓檢測信號,n 為轉速,co mulogic 為換相邏輯信號,cun_logic 為電流換相邏輯 。圖6 檢測模塊結構圖換相點檢測模塊如圖7所示。其中de l a y 與divi d e 組成了相位補償模塊,通過variable trans 2port delay 模塊對BE MF 進行相位延遲。

13、延遲后的BEF M 信號經過過零比較模塊,便得到換相點檢測信號s 1、s 2、s 3。34 圖7 換相點檢測模塊換相邏輯模塊如圖8所示。根據換相點檢測信號的組合,可以判斷出電機的具體換相次序,將這六組換相信號編號,分別對應16。Matlab Fcn 模塊接收到換相編號后,便輸出相應的換向邏輯 。圖8 換相邏輯模塊2.4 電流檢測模塊由于采用兩兩導通方式,每個時刻只有兩相通電,必須將該時刻導通相的電流測量出來,電流檢測模塊具體結構如圖9所示 。圖9 電流檢測模塊3 仿真實驗系統虛擬模型如圖10所示。其中電機參數為:定子繞組電阻R =2.8758,定子繞組電感L =8.5mH,轉動慣量J =0.0

14、008kg #m 2,極數p =10,額定轉速N =2000r /m in ,額定電壓U =500V ,額定電流I =2A 。從圖11和圖12可以看出,電機起動過程中,電流沒有出現過流現象,并且在0.06011s 處實現了自同步切換,此時轉速為307.1rpm,切換速度約為額定轉速的15%,在轉速達到1000rp m 時接入雙閉環,在0.25s 處加入負載,仿真結果表明了該控制策略的有效性。35第43卷(總第145期圖10系統虛擬原型圖11電機轉速波形圖12A相電流波形4結語計算機仿真是系統設計及評估的重要手段,能大大縮短設計周期。為了實現無刷直流電機的無位置傳感控制,采用了反電動勢過零法作為

15、轉子位置檢測方法,/三段式0的起動方法,并通過Matlab7.1/Si m u li n k軟件平臺對其進行了仿真,驗證了該起動策略的有效性,從而為無位置傳感器無刷直流電機控制技術的進一步研究和應用打下了良好的基礎。參考文獻1張琛.直流無刷電動機原理及應用(第2版M.北京:機械工業出版社,2004.2張相軍,陳伯時,朱平平.直流無刷電機無位置傳感器控制中反電動勢過零檢測算法及其相位修正J.電氣傳動.2001,(2:14216.3沈建新.無位置傳感器無刷直流電機三段式起動技術的深入分析J.微電機.1998,(2:8211.譚錦榮男1982年生;廣東工業大學碩士研究生,從事電力電子與運動控制的研究

16、.收稿日期:2008206218.(上接31頁ripple i n per m anent m agnet m otors:A c l ose for m sol utio n,0 in P roc.IEEE IECON9'2,pp.4592463,1992.5Ogasawara S.,AkagiH.An approach to positi on sen2 sorless dri ve for brush l ess DC m otorsJ.IEEE Transacti ons on Industry App lica ti ons,Vo.l27Issue:5,Sept.2O ct.1991: 9282933.6Nobuyubo and H i ro nor i Ohash.i Dsp2Based Adaptive Control of a B rushlessM otor.I EEE T ransacti on on Industria l Appli ca tio ns,Vo14