無位置傳感器無刷直流電機的轉子精準定位問題

1無位置傳感器無回轉無檢測方法無刷直流電機采用高磁能稀土永新材料，體積小，質量輕，效率高，消耗小。廣泛應用于航空、航空航天、機械、汽車等行業。通常,無刷直流電機一般采用位置傳感器確定電機轉子位置,但安裝位置傳感器提高了系統成本,增加了系統復雜性,降低了系統可靠性和抗干擾能力,這些問題將直接增加生產工藝的復雜度,有的甚至嚴重影響系統的使用壽命,因此無位置傳感器無刷直流電機控制技術已成為當今研究的一個熱點。目前,對無位置傳感器無刷直流電機的研究主要有反電動勢過零點檢測法、續流二極管導通檢測法、磁鏈法、反電動勢三次諧波檢測法等方法。其中,反電勢過零檢測法由于其成本低,性能穩定,已成為無位置傳感器無刷直流電機控制技術中最為成熟的一種方法。但是,當電機處于靜止或低速狀態時,電機反電勢為零或無法有效檢測,這樣就無法保證電機正常啟動與運行。常用的基于反電勢啟動方法主要有三段式啟動法、升頻升壓啟動法、多脈沖檢測法等方法。在此基礎上國內外專家對無位置傳感器無刷直流電機的啟動方法做了大量深入的研究與探索,文獻提出了一種無位置傳感器無刷直流電機無反轉起動方法,通過在直流母線上增加一個電流傳感器,然后通過交替給電機繞組輸入直流電流,通過等效電路計算定子電感來確定轉子位置;文獻提出一種基于模糊規則的無刷直流電機啟動策略,通過模糊規則對換相指令進行在線調整,也可以避免電機起動過程中的失步現象,但都沒有考慮變負載轉矩的影響;文獻提出了一種可完全替換三路霍爾傳感器的無刷無位置傳感電機零啟動的純硬件方法,彌補了傳統無傳感控制策略運算要求高、成本大、可靠性不高、30度軟件時延的缺點;文獻提出一種新型的無位置傳感器無刷直流電機轉子位置檢測方法,設計了通過定子繞組的三相端電壓提取反電勢的基波信號的新型電路,研究了一種與電機轉速無關的固定相位滯后的開關電容低通濾波器,在電機轉速變化的情況下,相位滯后90°電角度不變,得到無需相位補償的轉子位置信號;文獻通過仿真確定定位和起動過程中控制器的相關參數,解決了定位過程中初始角位于死角時無法定位和起動中失步的問題,但未能給出實驗證明;文獻提出了具有SVPWM控制和電流調節控制的無位置傳感器雙繞組無刷直流電機的起動控制,但起動過程存在較大轉速波動;文獻改進了反電勢過零檢測電路,提高了反電動勢檢測靈敏性和可靠性,但加速過程中性能難以保證。本文提出了一種閉環三段式啟動方法,與傳統的三段式啟動方法相比,轉子從靜止精準預定位、優化加速直到切換到反電勢檢測換相電路,整個過程處于閉環工作狀態,能保證電機轉子在加速過程中準確換相,不會出現失步或啟動失敗現象。2定順序順序多次給電機同不同轉子的情況為保證電機正常啟動,并獲得有效反電勢過零檢測信號,三段式啟動法是一種常用手段。傳統的三段式啟動法是在電機靜止狀態下完成轉子位置定位后,采用外同步啟動方式,通過按設定順序依次給電機繞組通電,這時電機轉子在繞組產生的旋轉磁場中被拖動起來,一般情況下轉子的位置都處于滯后狀態,在電機空載的情況下滯后位置小,啟動成功率高,但在電機負載較大的情況下,轉子的滯后位置增大,容易產生轉子無法被拖動,或者嚴重失步的情況。這2種情況均是由于在啟動初期系統完全工作在開環狀態下,系統經常無法在準確的時間給準確的繞組通電,無法保證電機轉子獲得有效轉矩,從而導致電機啟動失敗。本文提出一種閉環三段式啟動策略,使系統從靜止定位,加速啟動直到勻速運行整個過程中都處于閉環運行狀態。3封閉式三段式啟動策略3.1電機運行開關狀態如圖1(a)所示,Q1~Q6六個開關管組成三相逆變電路,在預定位時每相上下橋臂開關狀態相反(1表示導通,0表示關閉),因此可以用Qa,Qb,Qc三個變量來描述開關管狀態。如圖2所示,將開關管開關狀態用V0~V7八組電壓矢量來表示(其中V0、V7為零矢量),需要說明的是這8組開關狀態與電機運行開關狀態不同(無刷直流電機運行過程中開關狀態切換如表1所示)。V1~V6這6組電壓矢量分別作用時,主回路與電機繞組有著相同的等效電路,如圖1(b)所示,可得式(1):式中:Vdc為直流母線電壓,Req為電機繞組等效電阻,Lx為電機繞組等效電感,式(1)中Req實際上很小,所以在直接忽略Reqix后,可以得到:從式(2)可知當Vdc為定值時,Lx與dix的變化成反比,即:電感Lx越大,則dix變化就越小,反之亦然。由于轉子為永磁體,對帶鐵芯的繞組線圈(呈感性)在宏觀上具有增磁或者去磁作用,轉子位置與電感變化規律如圖3所示,即:轉子位置變化引起轉子電感變化,電感變化將引起dix變化。如圖4所示,當對定子繞組線圈施加短時間脈寬電壓矢量后(非零矢量與零矢量交替作用),不同的電感值Lx對應不同的直流母線峰值電流,即:電感Lx越小,則對應的峰值電流越大,反之亦然。這樣可以通過檢測直流母線峰值電流,估算轉子所在位置。3.2轉子位置定位本文提出了一種短時間脈沖電壓矢量初步定位與指定繞組通電完成精準預定位的方法。如圖2所示,將短時間脈沖電壓矢量V1、V4(電度角相差180°,脈沖周期為30μs)通入電機繞組,在電壓矢量結束時檢測電流I1、I4,如果I1>I4,且|I1-I4|>ΔI(ΔI為電流比較閾值),則可知轉子的N極在圖5(a)所示陰影區域,即:可將轉子位置定位在180°電度角內。如圖3所示,V1、V4作用時轉子位置可能會出現使|I1-I4|<ΔI的情況,這時無法區分轉子所在區域。本文提出的解決辦法是:通入電壓矢量V2、V5,檢測I2、I5可重新將轉子定位在180°電度角內。在180°電度角范圍確定后,再給繞組通入短時間脈沖電壓矢量V2、V6,檢測電流I2、I6,如果I1>I2且I1>I6,則轉子的位置可以進一步縮小到如圖5(b)60°以內的陰影區域(同理可知當I2>I1且I2>I6時,轉子則位于圖5(b)逆時鐘方向30°~90°區間,其他情況也可類似進行推導)。60°電度角區間確定后,這時轉子所在位置將有如圖5(c)、(d)、(e)3種情況,如果要保證電機按指定方向加速且得到理想的啟動轉矩,需要在60°電度角的范圍內進行二次精準定位。現在以矯正到圖5(c)所示位置進行說明,當已知轉子位于圖5(b)陰影區域后,根據表1可知,通過給指定兩相繞組(Q5、Q6閉合)較長時間(短脈沖矢量周期的2~3倍)通電可以進行矯正,此后注入短時間脈沖電壓矢量V2、V6,當|I2-I6|≤ΔI(ΔI為電流比較閾值),轉子將矯正到如圖5(c)所示理想位置。3.3旋轉加速過程中轉子位置檢測精準預定位完成后,按一定規律給電機繞組進行通電,驅動電機加速旋轉,電機在加速過程中如何保證準確換相是加速過程中的一個難點,也是本文要重點解決的問題。換相提前或滯后都將引起過流或失步現象,更嚴重的將會導致啟動失敗。本文提出一種短脈沖矢量優化定位與電流比較閾值實時檢測相結合的閉環加速方法,這樣能保證實時跟蹤轉子當前所在位置,并及時進行換相。現以電機正轉(逆時針)為例進行說明。如圖5(c)所示,轉子所在陰影部分位置與表1習慣上所示轉子位置相位差30°,為表示方便,將表1中的轉子位置順時針旋轉30°,如表2所示。由表2可知,導通Q5、Q6就可以將轉子位置精準定位在如圖5(c)所示位置(在第2節中已經說明),然后按開關表依次導通兩相繞組使電機加速旋轉,加速過程中關鍵是要知道何時切換開關狀態。現在以Q5Q6→Q4Q5→Q3Q4的開關狀態切換為例來進行說明。轉子的初始位置如圖5(c)所示,此時|I2-I6|≤ΔI,I1>I2,I1>I6,式中ΔI為本文設置的電流比較閾值,閾值大小同時可以用來調節換相的靈敏度。當檢測到|I2-I6|≤ΔI時,開關管狀態由Q5Q6切換到Q4Q5,轉子開始逆時針方向旋轉。為優化旋轉加速過程中轉子位置的檢測,可以在前一次轉子狀態基礎上只使用2個短時間脈沖電壓矢量進行轉子定位。當電機旋轉到第1扇區后(逆時針0°~60°),發出短時間脈沖電壓矢量V1、V3,檢測對應電流I1、I3,當滿足條件|I1-I3|≤ΔI時,轉子將到達圖5(f)所示位置,這時開關管狀態由Q4Q5切換到Q3Q4,電機繼續逆時鐘加速旋轉,依次類推可以使電機正向旋轉起來。加速過程中,短時間脈沖檢測電壓矢量及換相條件如表3所示,旋轉加速過程中開關管動作、短時間脈沖電壓矢量動作時序如圖6所示。由此可見,加速過程中通過將電流比較閾值作為換相條件,簡化了加速過程中轉子定位方式,可以保證系統在一個閉環的狀態下完成電機的加速過程。4電機過零信號分析無位置傳感器無刷直流電機控制系統試驗平臺如圖7所示,試驗平臺由無刷直流電機本體、DSP(TMS3202812)控制板、功率驅動板、磁粉制動器、測量儀器等構成。試驗過程中采用H_PWM-L_PWM調制方式,PWM調制載波頻率為20kHz,定位檢測脈沖脈寬設置為30μs,脈沖周期設置為0.02s,電機參數如表4所示。磁粉制動器為本電機試驗系統負載,在磁粉制動器中通入激磁電流0.1A,即設定負載轉矩為1N·m。圖8為電機轉速設定為2000r/min時采用本文所提出的閉環三段式啟動策略的啟動波形。圖8(a)中上通道為電機繞組反電勢信號,下通道為濾除6個過零信號后輸出的有效反電勢過零信號。由圖8分析可知,本文提出的閉環三段式啟動方式也分為定位、加速(圖中加速階段分為加速與二次加速2個過程,將在下面說明)、切換3個階段,從轉子精準預定位到優化加速直到切換到反電勢運行整個啟動過程約為1.2s。反電勢過零信號在切換之前沒有信號輸出,表面系統在加速過程中完全應用優化定位進行準確換相。圖8(b)為啟動過程完整波形,從圖中可知電機從靜止加速到指定速度勻速運行,時間約為5s。從反電勢過零檢測有效后脈沖寬度仍不斷變窄可知,反電勢運行過程中電機仍處于加速過程。在實驗過程中發現,如果系統檢測到反電勢過零信號后馬上切換到反電勢運行狀態容易引起系統抖動或啟動失敗。為解決此問題,本文提出在系統檢測到6個過零信號后才切換到反電勢運行狀態方法,在此期間仍然采用優化定位與加速方法,這個過程即為前面所提到的二次加速過程。在二次加速過程中,反電勢信號輸出6個周期信號,且幅值不斷增加,表明系統嚴格按指定方式進行二次加速。如圖8(c)所示,上半幅為啟動全過程,下半幅為二次加速過程,由圖可知在最初的6個過零信號檢測期間,反電勢值較小,容易出現反電勢過零信號丟失現象。由于在此期間電機仍然采用優化定位與加速方法,這樣電機仍然在閉環狀態下加速運行,反電勢繼續增加,保證了反電勢幅值完全滿足過零檢測要求,不會出現過零信號丟失現象。二次加速過程時間可以根據系統需要進行靈活調整。圖8(d)上通道為反電勢分壓與低通濾波器后信號,下通道為過零檢測信號,由圖可清晰觀察到反電勢信號在過零瞬間進行了有效檢測。圖9為轉速900r/min時電機線電壓波形,波形中沒有出現缺相或信號突變等異常現象,進一步說明加速過程中電機換相時刻準確。由于采用磁粉制動器,輸出力矩為持續的恒定值且為被動加載方式,在靜止時無反作用力矩施加給電機,所以本文采用減速停車方式。圖10為電機減速過程中反電勢與反電勢過零信號波形,圖中反電勢信號幅值在不斷減小,反電勢過零信號周期在不斷增加,可知電機轉速在迅速下降。以上實驗數