无位置传感器无刷直流电机的转子精准定位问题

无位置传感器无刷直流电机的转子精准定位问题

1无位置传感器无回转无检测方法无刷直流电机采用高磁能稀土永新材料，体积小，质量轻，效率高，消耗小。广泛应用于航空、航空航天、机械、汽车等行业。通常,无刷直流电机一般采用位置传感器确定电机转子位置,但安装位置传感器提高了系统成本,增加了系统复杂性,降低了系统可靠性和抗干扰能力,这些问题将直接增加生产工艺的复杂度,有的甚至严重影响系统的使用寿命,因此无位置传感器无刷直流电机控制技术已成为当今研究的一个热点。目前,对无位置传感器无刷直流电机的研究主要有反电动势过零点检测法、续流二极管导通检测法、磁链法、反电动势三次谐波检测法等方法。其中,反电势过零检测法由于其成本低,性能稳定,已成为无位置传感器无刷直流电机控制技术中最为成熟的一种方法。但是,当电机处于静止或低速状态时,电机反电势为零或无法有效检测,这样就无法保证电机正常启动与运行。常用的基于反电势启动方法主要有三段式启动法、升频升压启动法、多脉冲检测法等方法。在此基础上国内外专家对无位置传感器无刷直流电机的启动方法做了大量深入的研究与探索,文献提出了一种无位置传感器无刷直流电机无反转起动方法,通过在直流母线上增加一个电流传感器,然后通过交替给电机绕组输入直流电流,通过等效电路计算定子电感来确定转子位置;文献提出一种基于模糊规则的无刷直流电机启动策略,通过模糊规则对换相指令进行在线调整,也可以避免电机起动过程中的失步现象,但都没有考虑变负载转矩的影响;文献提出了一种可完全替换三路霍尔传感器的无刷无位置传感电机零启动的纯硬件方法,弥补了传统无传感控制策略运算要求高、成本大、可靠性不高、30度软件时延的缺点;文献提出一种新型的无位置传感器无刷直流电机转子位置检测方法,设计了通过定子绕组的三相端电压提取反电势的基波信号的新型电路,研究了一种与电机转速无关的固定相位滞后的开关电容低通滤波器,在电机转速变化的情况下,相位滞后90°电角度不变,得到无需相位补偿的转子位置信号;文献通过仿真确定定位和起动过程中控制器的相关参数,解决了定位过程中初始角位于死角时无法定位和起动中失步的问题,但未能给出实验证明;文献提出了具有SVPWM控制和电流调节控制的无位置传感器双绕组无刷直流电机的起动控制,但起动过程存在较大转速波动;文献改进了反电势过零检测电路,提高了反电动势检测灵敏性和可靠性,但加速过程中性能难以保证。本文提出了一种闭环三段式启动方法,与传统的三段式启动方法相比,转子从静止精准预定位、优化加速直到切换到反电势检测换相电路,整个过程处于闭环工作状态,能保证电机转子在加速过程中准确换相,不会出现失步或启动失败现象。2定顺序顺序多次给电机同不同转子的情况为保证电机正常启动,并获得有效反电势过零检测信号,三段式启动法是一种常用手段。传统的三段式启动法是在电机静止状态下完成转子位置定位后,采用外同步启动方式,通过按设定顺序依次给电机绕组通电,这时电机转子在绕组产生的旋转磁场中被拖动起来,一般情况下转子的位置都处于滞后状态,在电机空载的情况下滞后位置小,启动成功率高,但在电机负载较大的情况下,转子的滞后位置增大,容易产生转子无法被拖动,或者严重失步的情况。这2种情况均是由于在启动初期系统完全工作在开环状态下,系统经常无法在准确的时间给准确的绕组通电,无法保证电机转子获得有效转矩,从而导致电机启动失败。本文提出一种闭环三段式启动策略,使系统从静止定位,加速启动直到匀速运行整个过程中都处于闭环运行状态。3封闭式三段式启动策略3.1电机运行开关状态如图1(a)所示,Q1~Q6六个开关管组成三相逆变电路,在预定位时每相上下桥臂开关状态相反(1表示导通,0表示关闭),因此可以用Qa,Qb,Qc三个变量来描述开关管状态。如图2所示,将开关管开关状态用V0~V7八组电压矢量来表示(其中V0、V7为零矢量),需要说明的是这8组开关状态与电机运行开关状态不同(无刷直流电机运行过程中开关状态切换如表1所示)。V1~V6这6组电压矢量分别作用时,主回路与电机绕组有着相同的等效电路,如图1(b)所示,可得式(1):式中:Vdc为直流母线电压,Req为电机绕组等效电阻,Lx为电机绕组等效电感,式(1)中Req实际上很小,所以在直接忽略Reqix后,可以得到:从式(2)可知当Vdc为定值时,Lx与dix的变化成反比,即:电感Lx越大,则dix变化就越小,反之亦然。由于转子为永磁体,对带铁芯的绕组线圈(呈感性)在宏观上具有增磁或者去磁作用,转子位置与电感变化规律如图3所示,即:转子位置变化引起转子电感变化,电感变化将引起dix变化。如图4所示,当对定子绕组线圈施加短时间脉宽电压矢量后(非零矢量与零矢量交替作用),不同的电感值Lx对应不同的直流母线峰值电流,即:电感Lx越小,则对应的峰值电流越大,反之亦然。这样可以通过检测直流母线峰值电流,估算转子所在位置。3.2转子位置定位本文提出了一种短时间脉冲电压矢量初步定位与指定绕组通电完成精准预定位的方法。如图2所示,将短时间脉冲电压矢量V1、V4(电度角相差180°,脉冲周期为30μs)通入电机绕组,在电压矢量结束时检测电流I1、I4,如果I1>I4,且|I1-I4|>ΔI(ΔI为电流比较阈值),则可知转子的N极在图5(a)所示阴影区域,即:可将转子位置定位在180°电度角内。如图3所示,V1、V4作用时转子位置可能会出现使|I1-I4|<ΔI的情况,这时无法区分转子所在区域。本文提出的解决办法是:通入电压矢量V2、V5,检测I2、I5可重新将转子定位在180°电度角内。在180°电度角范围确定后,再给绕组通入短时间脉冲电压矢量V2、V6,检测电流I2、I6,如果I1>I2且I1>I6,则转子的位置可以进一步缩小到如图5(b)60°以内的阴影区域(同理可知当I2>I1且I2>I6时,转子则位于图5(b)逆时钟方向30°~90°区间,其他情况也可类似进行推导)。60°电度角区间确定后,这时转子所在位置将有如图5(c)、(d)、(e)3种情况,如果要保证电机按指定方向加速且得到理想的启动转矩,需要在60°电度角的范围内进行二次精准定位。现在以矫正到图5(c)所示位置进行说明,当已知转子位于图5(b)阴影区域后,根据表1可知,通过给指定两相绕组(Q5、Q6闭合)较长时间(短脉冲矢量周期的2~3倍)通电可以进行矫正,此后注入短时间脉冲电压矢量V2、V6,当|I2-I6|≤ΔI(ΔI为电流比较阈值),转子将矫正到如图5(c)所示理想位置。3.3旋转加速过程中转子位置检测精准预定位完成后,按一定规律给电机绕组进行通电,驱动电机加速旋转,电机在加速过程中如何保证准确换相是加速过程中的一个难点,也是本文要重点解决的问题。换相提前或滞后都将引起过流或失步现象,更严重的将会导致启动失败。本文提出一种短脉冲矢量优化定位与电流比较阈值实时检测相结合的闭环加速方法,这样能保证实时跟踪转子当前所在位置,并及时进行换相。现以电机正转(逆时针)为例进行说明。如图5(c)所示,转子所在阴影部分位置与表1习惯上所示转子位置相位差30°,为表示方便,将表1中的转子位置顺时针旋转30°,如表2所示。由表2可知,导通Q5、Q6就可以将转子位置精准定位在如图5(c)所示位置(在第2节中已经说明),然后按开关表依次导通两相绕组使电机加速旋转,加速过程中关键是要知道何时切换开关状态。现在以Q5Q6→Q4Q5→Q3Q4的开关状态切换为例来进行说明。转子的初始位置如图5(c)所示,此时|I2-I6|≤ΔI,I1>I2,I1>I6,式中ΔI为本文设置的电流比较阈值,阈值大小同时可以用来调节换相的灵敏度。当检测到|I2-I6|≤ΔI时,开关管状态由Q5Q6切换到Q4Q5,转子开始逆时针方向旋转。为优化旋转加速过程中转子位置的检测,可以在前一次转子状态基础上只使用2个短时间脉冲电压矢量进行转子定位。当电机旋转到第1扇区后(逆时针0°~60°),发出短时间脉冲电压矢量V1、V3,检测对应电流I1、I3,当满足条件|I1-I3|≤ΔI时,转子将到达图5(f)所示位置,这时开关管状态由Q4Q5切换到Q3Q4,电机继续逆时钟加速旋转,依次类推可以使电机正向旋转起来。加速过程中,短时间脉冲检测电压矢量及换相条件如表3所示,旋转加速过程中开关管动作、短时间脉冲电压矢量动作时序如图6所示。由此可见,加速过程中通过将电流比较阈值作为换相条件,简化了加速过程中转子定位方式,可以保证系统在一个闭环的状态下完成电机的加速过程。4电机过零信号分析无位置传感器无刷直流电机控制系统试验平台如图7所示,试验平台由无刷直流电机本体、DSP(TMS3202812)控制板、功率驱动板、磁粉制动器、测量仪器等构成。试验过程中采用H_PWM-L_PWM调制方式,PWM调制载波频率为20kHz,定位检测脉冲脉宽设置为30μs,脉冲周期设置为0.02s,电机参数如表4所示。磁粉制动器为本电机试验系统负载,在磁粉制动器中通入激磁电流0.1A,即设定负载转矩为1N·m。图8为电机转速设定为2000r/min时采用本文所提出的闭环三段式启动策略的启动波形。图8(a)中上通道为电机绕组反电势信号,下通道为滤除6个过零信号后输出的有效反电势过零信号。由图8分析可知,本文提出的闭环三段式启动方式也分为定位、加速(图中加速阶段分为加速与二次加速2个过程,将在下面说明)、切换3个阶段,从转子精准预定位到优化加速直到切换到反电势运行整个启动过程约为1.2s。反电势过零信号在切换之前没有信号输出,表面系统在加速过程中完全应用优化定位进行准确换相。图8(b)为启动过程完整波形,从图中可知电机从静止加速到指定速度匀速运行,时间约为5s。从反电势过零检测有效后脉冲宽度仍不断变窄可知,反电势运行过程中电机仍处于加速过程。在实验过程中发现,如果系统检测到反电势过零信号后马上切换到反电势运行状态容易引起系统抖动或启动失败。为解决此问题,本文提出在系统检测到6个过零信号后才切换到反电势运行状态方法,在此期间仍然采用优化定位与加速方法,这个过程即为前面所提到的二次加速过程。在二次加速过程中,反电势信号输出6个周期信号,且幅值不断增加,表明系统严格按指定方式进行二次加速。如图8(c)所示,上半幅为启动全过程,下半幅为二次加速过程,由图可知在最初的6个过零信号检测期间,反电势值较小,容易出现反电势过零信号丢失现象。由于在此期间电机仍然采用优化定位与加速方法,这样电机仍然在闭环状态下加速运行,反电势继续增加,保证了反电势幅值完全满足过零检测要求,不会出现过零信号丢失现象。二次加速过程时间可以根据系统需要进行灵活调整。图8(d)上通道为反电势分压与低通滤波器后信号,下通道为过零检测信号,由图可清晰观察到反电势信号在过零瞬间进行了有效检测。图9为转速900r/min时电机线电压波形,波形中没有出现缺相或信号突变等异常现象,进一步说明加速过程中电机换相时刻准确。由于采用磁粉制动器,输出力矩为持续的恒定值且为被动加载方式,在静止时无反作用力矩施加给电机,所以本文采用减速停车方式。图10为电机减速过程中反电势与反电势过零信号波形,图中反电势信号幅值在不断减小,反电势过零信号周期在不断增加,可知电机转速在迅速下降。以上实验数