（电机与电器专业论文）基于绕组电感的无刷直流电机转子位置检测方法研究.pdf

a b s t r ac t b r u s h l e s sd cm o t o r s ( b l d c ) a r ee v e r - i n c r e a s i n g l yu t i l i z e di n m a n yf i e l d s ， i n c l u d i n gi n d u s t r i a lc o n t r o l l e r sa n dh o u s e h o l da p p l i a n c e s w i t hi t sw i d ea p p l i c a t i o ni n m a n yf i e l d s ，t h et r a d i t i o n a ls e n s o rc o n t r o lm e t h o di sn o ta p p l i e di ns o m ea p p l i c a t i o n s o ，s e n s o r l e s sc o n t r o lm e t h o de m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r e ，e s p e c i a l l yb a c k e m f m e t h o di sm o r ea n dm o r eu s e f u lt h a nt h et r a d i t i o n a ls e n s o rc o n t r o lm e t h o d b u tw h e n t h em o t o ri sa ts t a n d s t i l lo ra tal o w s p e e d ，i ti si m p o s s i b l eo rv e r yd i f f i c u l tt og e tt h e p o s i t i o ni n f o r m a t i o nf r o mb a c k - e m e i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ep r o f o u n dc o m p r e h e n s i o no fi n d u c t a n c ev a r i a t i o n m e t h o d ，i nv i e wo ft h ed e f i c i e n c yi nr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i n ga ts t a n d s t i l lo rl o w s p e e d ， an e wm o t o rw i t ho b v i o u si n d u c t a n c ev a r i a t i o no nt h er o t o rp o s i t i o nb u tw i t hl i t t l e m u t u a li n d u c t a n c ei sd e s i g n e d ，a n dan o v e lm e t h o dn a m e d “c u r r e n tm e t h o df o rn o p o w e rp h a s e ”f o rd e t e c t i n gt h er o t o rp o s i t i o ni sp r o p o s e d ：a t h r e e p h a s em o t o rh a ss i x s e g m e n t so fa ne l e c t r i c a lc y c l e ，l e tt h et w op h a s e so u to ft h r e ea r ec a r r y i n gc u r r e n t s b yd e t e c t i n gt h ec u r r e n t so ft h et h i r dp h a s e ，w ec a nd e t e r m i n et h er o t o rp o s i t i o n c o n c r e t e l y , t w oe x e c u t i o np l a n sn a m e dc o m p l e m e n t a r yp w mm e t h o da n di n j e c t e d t e s t i n gv o l t a g ep u l s em e t h o da lep r o p o s e d t h e n ，am a t h e m a t i c a lm o d e lw i l lb eb u i l t a n dt r u ep a r a m e t e r so fe l e c t r i cm a c h i n ew i l lb eu s e di nm a t l a bf o rs i m u l a t i o n f i n a l l y , t h r o u g he x p e r i m e n t s ，t h et w om e t h o d sw i l lb ee m p h a t i c a l l ya n a l y z e da n dt h e i r f e a t u r e s 、 a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ec o m p a r e d k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) p o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o l c u r r e n t m e t h o df o rn op o w e rp h a s e m a t l a b c o m p l e m e n t a r yp w mm e t h o d i n j e c t e d t e s t i n gv o l t a g ep u l s em e t h o d 第一章绪论 摘要：本章简要介绍了永磁无刷直流电动机的特点，发展历程及应用领域；阐述 了国内外永磁无刷直流电机无位置传感器控制检测技术的研究现状及发展趋势； 概述了无传感器控制中常用的起动技术；最后，阐述了本课题意义和主要研究内 容。 1 1 无刷直流电机的特点、发展及应用 永磁无刷直流电机n 2 1 ( b r u s h l e s sd cm o t o r ，简称b l d c m ) 是一种典型的机 电一体化产品，主要由电动机本体、位置传感器、功率逆变器和相关控制策略组 成，它的发展与永磁材料、电力电子技术、计算机控制技术和检测技术的发展密 切相关。而这些技术作为极具发展潜力的新兴技术，必将在新技术蓬勃发展的 2 1 世纪，获得更快、更大的发展，永磁无刷直流电机也必将获得更为高速的发 展。 1 1 1 无刷直流电机的特点 无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机一样，但它的电枢绕组放在 定子上，转子上安装永久磁钢。该电机的电枢绕组一般采用多相形式，经由驱动 器接到直流电源上。定子采用电子换向代替有刷电机的电刷和机械换向器，各相 逐次通电在空间产生磁场，和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩，使电动机旋 转。无刷直流电动机一般可以分为两类：正弦波型永磁无刷直流电动机和方波型 永磁无刷直流电动机。正弦波型永磁无刷直流电动机反电势波形和供电电流波形 均为正弦波，一般需要较为精密的转子位置信号，位置传感器结构较为复杂，成 本较高，但其控制方法灵活，转矩波动较小，所以一般用于伺服控制系统。方波 型永磁无刷直流电动机，或者称为方波电机，其反电势波形和供电电流波形均为 方波，控制系统对转子位置信号要求不高，只需获得若干个转子关键位置的离散 信号就可以了，成本较低，结构简单、且控制方便。大多数情况下，无刷直流电 机是指方波型永磁无刷直流电动机，本文所提到的无刷直流电机均指这类电机。 无刷直流电机保留了有刷直流电机的优良调速性能，又省去了机械的电刷和 换向器，所以不仅具有传统直流电机的优良特性，还有结构简单、体积小、重量 轻、效率高、功率因素高、转矩重量比高，转动惯量低、易于散热，易于维护 保养等优点，因而无刷直流电机的应用范围相当广泛。同时，现代电力电子技术 和永磁材料的发展又为其发展奠定了坚实的基础，因而无刷直流电机具有很强的 生命力和发展前途。 1 1 2 无刷直流电机的发展 自无刷直流电机诞生以来，共经历了四十余年的发展历史。早在2 0 世纪3 0 年代，就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的直流无刷电动机，并取 得了一定的成果，但由于当时大功率电力电子器件仅处于初级发展阶段，使得这 种电动机只能停留在理论研究阶段，而无法推广使用。1 9 5 5 年，美国d h a r r i s o n 等人首次申请了用品体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，这就是现 代直流无刷电机的雏形，标志着现代无刷电机的诞生。而电子换向的无刷直流电 机真正进入实用阶段，是1 9 7 8 年的m a c 经典永磁无刷直流电机及其驱动器的推 出后，对无刷直流电机进行了深入的研究，先后研制成功了方波无刷直流电机和 正弦波直流无刷电机。近2 0 多年来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制 技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷直流电机得到了长足 的发展。 无刷直流电机有以下几个发展方向： 大电压，小电流趋势。提高电压能减小功率管上压降占的比例；小电流则能 降低功率管上的管压降，从而达到节能的目的。 正弦电流驱动。高速微处理器和d s p 器件的出现，使得运行速度、处理能力 有很大的提高，而且专用控制芯片的出现，使得精确控制电机方案的成本大 大降低。 无位置传感器控制方案将越来越多地被应用到实际生产过程中。 p w v l 技术。p l o d 调制技术一般采用i o k 左右的开关频率调节电机供电电压， 可以使电流波形更为平滑，同时也可以改善电机的运行噪声问题，有利于提 2 高电机的整体性能。 1 1 3 无刷直流电机的应用 随着科学技术的日新月异，无刷直流电机已经被广泛应用于各种场合。工业、 家电、通讯、交通工具、交流伺服系统等，都有了无刷直流电机的踪迹。 ( 1 ) 工业领域汹 工业领域中各类加工机械设备、i c 设备、电梯等伺服驱动系统，最初用的是 有刷直流电动机调速系统。7 0 年代后，因为变频调速异步电动机的性价比优于 有刷直流电动机调速系统，具有结构简单、可靠性高、干扰小、维护少、寿命长 的特点，变频调速异步电动机逐步替代有刷直流电动机调速系统。但是永磁无刷 电机具有比异步电动机体积更小，重量更轻，效率更高等优点，中小功率异步电 动机变频调速系统正在逐步被永磁无刷电动机取代，如同本富士公司有 0 4 - 3 0 0 k w 无刷电机系列。目前，一般工业机械均采用永磁无刷直流电机驱动系 统。 ( 2 ) 家电领域 空调器、洗衣机、电冰箱等主要家电最早使用单相异步电动机，但效率低、 利用率低。为了节能，9 0 年代初家电开始采用变频调速异步电动机。目前日本 9 0 以上的空调器采用永磁无刷直流电机，替代异步电动机变频调速。我国空调 器制造厂也开始采用永磁无刷直流电机，以获得更好的节能效果和节省材料。在 相同的额定功率和额定转速下，如果单相异步电动机的体积和重量为1 0 0 ，则 永磁无刷直流电动机的体积为3 8 ，重量为3 4 8 ，用铜量为2 0 9 ，用铁量为 3 6 5 ，效率提高1 0 以上。 ( 3 ) 办公自动化、计算机外部设备及音像处理设备领域 这类设备要求驱动电动机具有稳速、调速、定位等功能，对电磁干扰和低噪 声要求特别高。如计算机软、硬盘驱动器，光盘驱动器，应急驱动器，激光打印 机，复印机，传真机鼓驱动，v c d 、d v d 装置及微型风扇等。而永磁无刷直流电 机刚好能够满足这些要求，因而被广泛采用。但是这类无刷直流电机属于精密型， 尺寸小，加工精度高，产量大，是技术密集型和高投资类产品，目前仍主要由发 达国家提供。这类产品的年产量均以亿台计，国内来源主要依赖进口或组装件， 3 尚难在此领域取得立足之地。因此，在这一领域的永磁无刷直流电机将有非常广 泛的发展空间。 ( 4 ) 电动交通工具 近年来，电动自行车的生产规模与r 俱增，其驱动电机大部份采用有刷直流电机。 但由于直流有刷电机有寿命短，维修难的缺点，随着永磁无刷直流电机价格的下 降及控制器可靠性的提高，采用永磁无刷电机越来越多。同时，由于能源紧张和 环境污染日益加强，电动汽车显示出强劲的生命力，被汽车生产厂和消费者普遍 看好，有资料显示，美国通用、日本丰田、法国雪铁龙等大汽车公司都将电动汽 车作为发展方向。我国也同样高度重视，电动汽车已经被科技部列为“十五”期 间国家重大攻关项目，也是“十一五”规划中发展绿色交通的重要内容之一。汽 车电动助力转向系统中的驱动电机有有刷直流电机和永磁无刷电机，电动汽车驱 动电机有有刷直流电机、变频异步电机和永磁无刷电机，但它们的发展趋势都是 永磁无刷电机，尤其是r 本汽车制造商都采用永磁无刷电机。凡是电动车中涉及 安全等重要系统中用的电机，采用永磁无刷电机替代有刷直流电机将是一个趋 势。 ( 5 ) 交流伺服系统h 3 随着电力电子技术，微电子技术的迅速发展和各种新颖控制策略的不断涌 现，在高性能伺服驱动领域，交流伺服系统取代传统的直流伺服系统是必然的趋 势。交流伺服系统中所用的电机主要有异步电动机和永磁同步电动机两大类。采 用矢量控制的异步电动机已经可以获得接近直流伺服系统的机械特性和宽的调 速范围，但是控制较为复杂，且对电机的参数有较强的依赖性。而由永磁无刷电 机构成的永磁伺服系统，其外特性完全可与直流伺服系统等效，因此p m s m 和b l d c m 是交流伺服系统的主要发展方向。 总之，永磁无刷直流电动机在大量应用中都显示出其优良特性，在未来的发 展中也必将涵盖越来越多的应用领域。 1 2 无刷直流电机无位置传感器检测技术的研究现状及发展趋势 无刷直流电机具有调速性能好，效率高，起动转矩大，控制方法灵活多变等 诸多优点。但是传统的无刷直流电机采用附加的位置传感器检测转子位置，不仅 4 增加了成本和电机结构的复杂性，而且在某些高温、高压或者强腐蚀性环境中， 位置传感器会降低系统的可靠性或者根本无法安装。因此，无位置传感器无刷直 流电机控制成为近3 0 年来国内外无刷直流电机发展的重要方向之一。 无位置传感器控制，是指在没有机械式位置传感器的情况下进行控制。此时， 作为逆变器开关换向导通时序信号的转子位置信号仍然是必不可少的，只不过不 再由位置传感器来提供，而应该由新的位置信号检测措施来代替，即以提高电路 和控制的复杂性来降低电机结构的复杂性。 目前，b l d c m 无位置传感器控制研究的核心是构架转子位置信号检测电 路，从软硬件两方面间接获得可靠的转子位置信号，从而触发导通相应的功率器 件，驱动电机运转。迄今为止，在众多的位置信号检测方法中，应用和研究较多 的主要有反电势法【5 】、基波电势换向法、定子绕组电感法、速度无关位置函数法、 状态观测器法和智能控制法等。 1 2 1 反电势法 反电势法是迄今为止最成熟，应用最广泛的一种转子位置信号检测方法。该 方法的基本原理是：在忽略b l d c m 电枢反应影响的前提下，通过检测断开相的反 电势过零点，依次得到转子的6 个关键位置信号：并以此作为参考依据，轮流触 发导通6 个功率管，驱动电机运转。在应用上反电势法具体可分为4 种：直接反电 势过零法旧，反电势积分及参考电压比较法口3 ，反电势积分及锁相环法陋，引，续流 二极管法。由于反电势幅值与电机转速成正比，因此反电势法都不适合于低速范 围，需要采用另外的控制方法实现电机的起动。目前广泛采用的是开环起动技术， 它的成功实现与负载转矩、电机参数、外施电压、加速曲线等诸多因素有关，如 果控制不当，很容易导致电机失步甚至起动失败。 a 直接反电势过零法 直接反电势过零法是最常用的一种无传感器控制方法，其基本原理是：在任 意时刻，电机三相绕组只有二相导通，每相绕组正反向分别导通1 2 0 。电角度； 通过测量三相绕组端子及中性点相对于直流母线负端或正端的电位，当某端电位 与中性点电位相等时，则此时刻该相绕组反电势过零；再过3 0 。电角度就必须对 5 功率器件进行换相；据此可以设计一过零检测及移相电路，从而得到全桥驱动6 个功率器件的开关顺序。 此方法非常简单，但缺点是：电机在转速较低或者静止时不适用；滤波器的 实际延时角度随电机转速而变，在低速时超前换流，高速时反而接近正常换流， 这与实际要求恰恰相反。 b 反电势积分及参考电压比较法 该方法是在相电势过零点开始对其进行积分，然后将积分结果与一个参考电 压进行比较，以此来确定换流时刻。具体原理是：假定单位电角速度下相电 势关于转子位置目的波形系数可以用函数( p ) 表示，且在电势过零点时0 = 0 。 那么积分结果可以表示为： 形= r 。a , u f ( o ) d t = r of ( o ) d o = r o 。f ( o ) d o ( 1 1 ) 所以，积分结果与反电势波形有关，但与电机速度无关。假定需要在皖位置换流， 那么只需将设定为f ( o ) d o 即可。它具有一个非常明显的优点，即可以实 现必要的超前换流，但超前角必须在3 0 。以内；缺点也很明显，即电压比较器对 毛刺、干扰很敏感。由于比较器的输出用于出发一个环形分配器，因此一旦干扰 信号造成一次误触发，随后的触发顺序就都是错误的且不可恢复。 c 反电势积分及锁相环法 反电势积分及锁相环法首先也是对反电势积分，但不是将积分结果和参考电 压比较，而是采用锁相环技术。其基本原理是：积分器对非导通相的相电势积分， 积分时间对应6 0 。电角度。在通常的换流条件下，积分是从反电势过零点前3 0 。开始，到过零点后3 0 。为止，因此积分结果为o 。如果电路中一个压控振荡器 的输入电压保持不变，则其输出频率也不变，系统将继续保持j 下常换流相序。但 是在动态情况下，如果电机换流已经超前，那么反电势的积分结果是负值，这会 降低压控振荡器的输入电压和输出频率，并进一步降低电机的换流频率，减缓换 流时序，直到重新恢复正常换流为止。反之，若换流滞后，则积分结果为正值， 就会提高电机的换流频率，加快换流时序。由此，控制器、逆变器及电机整个系 6 统构成了个锁相环，确保了正常的换流时序。 这种方法的优点是：环形分配器直接由压控振荡器的输出信号触发，而且压 控振荡器有很好的抗干扰性，输出信号不会出现误触发。其缺点是：实际电机绕 组的端电压中还存在一个由续流二极管导通引起的脉冲信号，它是有可能掩盖反 电势信号，从而使积分结果永不为0 ，导致控制失败。 d 续流二极管法 续流二极管法又称第三相导通法n 们，其本质还是反电势法，只是在断开相反 电势过零点检测上有了一定的改变。它是通过检测反并联于逆变桥功率开关管上 的续流二极管的导通与关断状态来确定转子位置的。 这种方法在一定程度上能够拓宽电机的调速范围，尤其是能拓宽电机调速的 下限。因为续流二极管的导通压降很小，在有些应用场合，电机的最低转速甚至 能小于1 0 0r m i n 。但这种方法的缺点是：要求逆变器必须工作在上下功率器件 轮流处于p w m 斩波的方式，实现难度大，必须防止无效的二极管续流导通信号 和因毛刺干扰而产生的误导通信号。 1 2 2 基波电势换向法 基波电势换向法1 1 1 1 一直被误认为是三次谐波检测法1 1 2 】。实际上该方法与三 次谐波电势并无关系。基波电势换向法是将假中点与分压电阻中点间的电压波形 用作电机的换相信号。通过检测到该电压，并进行低通滤波滤除高频成分，在该 电压过零点将其移相r r 6 作为换相信号，电机就可以运行。这种方法的缺点是： 在电机转速低于一定值时，检测到的电压信号严重变形，引起后续电路无法正常 识别，导致不能估计转子位置。因此本方法在低速时仍无法正确估计转子位置， 需要额外的起动程序；另外，电机在大动态下有可能出现位置估计失败，造成电 机失步。 1 2 3 定子绕组电感法 定子绕组电感法是根据定子铁心非线性磁化特性，即靠近转子永磁体两极的 7 定子能被强烈磁化【1 3 1 5 1 。由于定子存在铁心磁饱和现象，所以靠近磁极的定子绕 组按照顺磁方向电流的变化率大于逆磁方向的电流变化率。转子不同位置时通 过p w m 变换器给定子绕组在固定的时间内加恒定的电压矢量，则流过定子绕组 的电流值不同，通过比较其电流值的大小可以确定转子磁极的位置。定子绕组电 感法检测转子位置分为两个阶段：第一，位置的初步估计；第二，位置的精确估 计。以空调压缩机控制为例，定子绕组电感法的调速范围大概能达到5 0 0 7 5 0 0 r m i n 。 1 2 4 速度无关位置函数法 速度无关位置函数法是基于一个全新的物理概念而提出的检测方法n 引。磁链 函数在物理意义上与转速无关，因而理论上借助磁链函数进行转子位置检测的方 法适用于整个速度范围。具体地说，速度无关这个物理概念是基于速度独立位置 函数而形成的，运用这个函数能估算出换向瞬间从接近于零( 额定转速的1 5 ) 到高速度之间的任一值。这个方法最早由国外提出，国内相继以仿真模型的 形式验证了该方法的正确性和可行性口卜1 引 这种方法能在转子转速近似为零到高速时对转子位置进行检测并给出换相 时刻。但是该方法的理论分析与仿真模型是基于无刷直流电机具有理想的梯形波 磁场的前提下( 对电机所做的三个假设) ，将磁链函数值与预先设定的阈值进行 比较来检测电机转子的位置，并未给出磁链函数特性和换相阈值的确定方法，也 未给出实验条件改变( 如改变无刷直流电机的极对数) 情况下是否有转速范围限 制及如何选择的确切答案，而这些都关系到该技术能否可靠、有效地应用。文献 【1 9 就磁链函数特性分析、判断电机换相的阈值以及适用的转速范围的选择等关 键问题进行了深入研究，通过实验指出：磁链函数法是对线间反电动势过零点的 间接利用，因此无需无刷直流电机具有理想的梯形波反电动势。同时，也指出在 一定的采样频率和转子分辨率下，该方法存在一定的转速范围。总体而言，速度 无关位置函数法在很宽的转速范围内和暂态过程中都能够保证良好的位置检测 精度，为拓展低速运行范围提供了一种全新的、有实用价值的解决方案。 1 2 5 扩展卡尔曼滤波器法 8 基于扩展卡尔曼滤波器( e k f ) 的状态观测器法也称为转子位置计算法。它 是指在获取绕组电压、不导通相反电势和负载电流等变量的基础上，利用特定算 法预测电机转子的位置以及转速。但是在实际情况中，直接计算出来的数据往往 是不准确的，需要用卡尔曼滤波器来滤除误差。卡尔曼滤波器是现代控制理论中 对噪声环境下系统状态估计应用最成功的方法。作为其在非线性系统上的应用， 扩展卡尔曼滤波器( e k f ) 利用局部线性化手段，可以有效地削弱随机干扰和量测 噪声的影响，更适合于在恶劣环境中应用。文献 2 0 提出了一种基于扩展卡尔曼 滤波器( e k f ) 估计无刷直流电机转子位置和转速的方法：采用三相定子相电流实 现对电机转子状态的估计，计算量小，成本低。但是该方法在转子起动时必须设 置预定位，否则有可能出现因估算不准确而导致电机不能正常起动的情况。文献 2 1 则将定子电流、电压和整段反电动势作为状态变量，用扩展卡尔曼滤波的方 法对电机的转速和转子位置进行检测。该方法可以较好地测出无刷直流电机的转 速，特别是在转速比较低的情况下；但该方法存在一定的延时，关键的最优初始 状态和方差阵选择需通过凑试法获得，且电机参数在运行过程中还会有细微改 变。 尽管扩展卡尔曼滤波器法较早提出，但因其计算繁琐，对微机性能要求较高， 应用并不广泛。近些年，具有快速强大计算能力的数字信号处理器( d s p ) 在无刷 直流电机控制中的应用，保证了转子位置、转速和扰动转矩信息的实时性，从而 使扩展卡尔曼滤波器法的可行性和可靠性大大提高了。文献【2 2 】将定子电流、转 子转速和位置作为状态变量，来实现扩展卡尔曼滤波器无刷直流电机无位置传感 器控制。在实验中，以变频空调电机为控制对象，主电路采用t i 公司的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器作为控制芯片。实验结果表明无论是运行在高速 还是低速，该方法都能快速、准确地检测出转子的转速。同样在实验中采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器作为控制芯片，文献【2 3 】进一步提出了具有 相位、增益校正的扩展卡尔曼滤波器法，实验结果表明其具有非常好的控制效果， 在一定调速范围内完全可以取代有位置传感器控制器在压缩机、风机、泵等的场 合中应用。 1 2 6 智能控制法 9 随着科学技术的日新月异，智能化控制得到了空前的发展。例如模糊控制、 神经网络控制瞳4 矧等在无刷直流电机无位置传感器控制领域也得到了应用，并取 得了一定的控制效果。这些控制方法的优缺点是：无需被控对象进行精确的数学 建模，而且具有很强的鲁棒性，非常适合控制电机这种非线性、变参数对象，尤 其对电机在低速范围内的性能有所改善；但是，控制系统性能、计算量大小、计 算速度快慢与控制方法本身特殊的结构和性质有关。同时，一些算法相当费时， 也限制了它们在实时性要求较高的控制系统中的应用。通过分析无刷直流电机间 接位置检测原理，提出了基于径向基函数( r b f ) 神经网络的无刷直流电机无位置 传感器控制法拉引：电机的端电压和相电流通过神经网络的训练和逻辑处理后能估 算出磁链向量，而磁链向量中包含转子位置信号，即可获得转子磁极位置。实验 结果表明神经网络应用在无刷直流电机控制中可取得较高的精度。在此基础上， 文献 2 7 又提出了基于小波神经网络的无刷直流电机无位置传感器控制新方 法该方法构建小波网络模型，采用梯度下降法对网络进行训练。实验结果表明， 该方法相比于前一种方法，具有训练时间短，控制精度高等特点。 1 3 无位置传感器控制中的起动技术 尽管定子绕组电感法、速度无关位置函数法、扩展卡尔曼滤波器法、智能控 制检测法都能较好地解决低速问题，但是就应用领域和实现难易而言，目前使用 最广泛、技术最成熟的还是反电势法。所有的反电势法都不适合于低速范围的弱 点决定了其需要采取其他有效的方式起动，其中发展较快的主要有四种：三段式 起动法，升频升压同步起动法，短时检测脉冲转子定位起动法，预定位起动法。 各种起动方法有各自的优缺点和适用场合，采用何种方法应视具体情况而定。 1 三段式起动法【2 8 3 1 】 又被称为开环起动技术，即首先对转子进行初始定位，然后采用外同步方式 加速，达到预定速度并可以稳定获得反电势过零点信号时，再切换到自同步方式。 该方法的成功实现与负载转矩、电机参数、外施电压、加速曲线等诸多因素有关， 如果控制不当，容易导致电机失步甚至起动失败。目前，借助于数字信号处理器 ( d s p ) 和单片机的应用和发展，使得软件实现自检测和自寻优切换成为可能， l o 控制系统的可靠性正逐步提高。 2 升频升压同步起动法【3 2 】 电路通以电流后，加在接地电容上的电压以便缓慢上升。同时将以加到p w m 电路的输入端作为调制信号，使得p w m 占空比随以变化，控制绕组导通的脉冲宽 度，也即控制了加在绕组上的电压。随着以的上升，加在绕组上的电压和频率 也逐步上升，以升频升压方式驱动电机运行。这种起动方法在一定升频速度范围 内取得了成功，但是附加起动电路对于较多应用于微型电机的无刷电机来说，不 仅加大了电机的尺寸，还使电机的可靠性降低。 3 短时检测脉冲转子定位起动方法f 3 3 】 线圈电感的大小随转子位置的变化而变化。当对定子绕组施加固定脉宽的检 测脉冲后，不同的检测峰值脉冲电流对应不同的铁心电感，通过成对比较铁心线 圈电感的大小，逆推回去，就可检测出转子的位置，从而实现转子的定位。这种 起动方法也可分为转子定位、加速及切换三个过程，但定位与加速的方法与前面 提及的三段式起动技术中的方法不同。该方法能够保证电机转子在起动时不产生 振荡，加速时控制简单；但是该方法是建立在铁心电感磁饱和性质基础之上的， 若电机定子绕组是空心线圈或电机转子本身是一个标准的圆柱状永磁体，则难以 准确区分出6 个电流脉冲峰值的大小，从而导致电机起动的可靠性降低。 4 预定位起动法似5 。聃1 首先为预定位，即在起动初始时，使电机有一个确定的通电状态，转子旋转 到一个确定的初始位置；其次是起动，即改变电机的通电状态，在电磁力矩的作 用下转子向一个确定位置转动；最后，在适当的时候把电机切换到无刷电动机运 行状态，利用反电动势法检测转子位置。该方法起动可靠，实现简单、方便，对 于任意转子初始位置角，都能可靠实现预定位，保证电机能从零速度起动并快速 切换到无传感器闭环运行方式。但是该方法对切换时间要求严格，当电机惯量不 同或带一定负载起动时，切换时间需要调整，否则可能造成起动失败或电机反转 现象，因此一般只适用于电机空载起动。 1 4 本文的课题及意义 定子绕组电感法是近年来无刷直流电机无位置传感器控制研究的热门方向 之一。当转子处于不同的位置时，转子磁场在定子绕组中产生的磁链不同，从而 定子绕组的电感值也不同。根据这一性质，可通过检测电感的变化来判断转子的 位置。定子绕组电感法实现了转子转速从近似为零速到高速的控制，精度高、误 差小，但是该方法都需要对绕组电感进行不断的实时检测，实现难度较大。 电感检测技术能否成熟取决于能否精确地检测出电感的变化。如果在不影响 无刷直流电机运行性能和应用领域的前提下，能够通过对电机结构的适当改造， 使得电感随转子位置的不同有较为明显的变化且方便实时检测，则不失为一种极 具潜力的发展趋势。 本文基于对电感法的深刻认识和理解，针对无刷直流电动机在静止和低速状 态下检测转子位置的困难，设计了一台绕组电感随转子位置的不同有明显变化且 没有互感的无刷直流电机，提出了一种新的无位置传感器控制法，即断电相电流 检测法：让三相无刷直流电动机在两两导通方式下运行，通过检测与电感变化有 关的转子位置信号非导通相的电流，来判定转子位置，实现无位置传感器无 刷直流电机控制。具体的，本文首先阐述了断电相检测法的基本原理，提出两种 实施方案一p w m 互补检测法和电压脉冲检测法，建立无刷直流电动机在该控制 方法下的数学模型。然后找到合适的电机参数，用m a t l a b 进行仿真。接着，通过 实验验证两方案的j 下确性。最后，理论结合实验数据，分析两种方案的优缺点和 适用性。 1 - 5 本章小结 本章简要介绍了永磁无刷直流电动机的特点，并简要回顾了永磁无刷直流电 动机的发展历程，介绍了目前永磁无刷直流电动机的应用领域；阐述了永磁无刷 直流电动机无位置传感器控制检测技术的研究现状及发展趋势；概述了无传感器 控制中常用的起动技术；最后，在阐述课题意义的同时，介绍了本文的主要研究 内容。 1 2 第二章p w m 互补检测法的基本原理及仿真 摘要：永磁无刷直流电动机在静止或低速时反电势为零或很小，无法用来判断转 子位置，本章基于对电感法的深刻认识，首先详细介绍了无刷直流电机的基本组 成，工作原理及其数学模型，并在此基础上阐述了转子零初始位置检测的原理和 断电相电流检测法的基本原理，简单介绍了第一种方法一p w m 互补检测法。然 后，本章着重进行了p w m 互补检测法的仿真和分析。 2 1 无刷直流电机的工作原理 2 1 1 无刷流电机的基本组成 无刷直流电机主要由永磁电机本体、功率驱动电路，逆变器、转子位置检测 装置四部分组成，如图2 - 1 所示。 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一l 图2 1 无刷直流电机的基本组成 一般来说， 无刷直流电机是在定子上安放电枢绕组，电枢绕组多为三相结 1 3 构，但也有四相，五相等多相绕组；转子上安放永久磁钢，永磁转子多为钕铁硼 等稀土永磁材料。功率逆变器工作于直流斩波状态，通过功率驱动电路控制p w m 占空比，调节加在电机三相绕组上的直流电压。功率丌关器件一般使用 p o w e r m o s f e t 、g t r ，高压大容量电机多采用i g b t 或i p m 模块。开关器件上反并 联续流二极管法。 2 1 2 无刷直流电机的原理 三相绕组无刷直流电机的绕组连接方式有三相星形连接和三相三角形连接。 三相星形连接有两种运行方式：三相半控电路方式和三相全控电路方式，图2 1 为三相全控电路方式。三相半控电路方式结构简单，但是每个绕组只通电1 3 周 期的时间，因此利用率很低，转矩的波动也大。相较而言，三相全控电路运行方 式转矩脉动小，绕组利用率高，所以在大部分场合都采用三相全控电路方式。三 相全控方式又分为两两导通和三三导通两种方式，其中两两导通方式是指每一瞬 间有两个功率管导通，每隔1 6 周期( 6 0 。电角度) 换相一次，每次换相一个功率 管，每一功率管导通1 2 0 。电角度；三三导通方式是指每一瞬间均有三个功率管 导通，每隔6 0 。电角度换相一次，每个功率管通电1 8 0 。电角度。下面以两两导 通方式为例，分析无刷直流电机的运行原理。 对于三相六状态1 2 0 。导通方式，各功率管的导通顺序是巧五、正五、五乃、 五瓦、t , t 6 、t j , 、e eo 当转子位于如图2 2 ( a ) 所示位置时，导通功率管互正， 电流经石管，从a 相流入，再从c 相流出，经乃回到电源，此时在电机定子绕组 中产生如图2 2 ( b ) 所示的电枢磁场，该磁场和转子磁场相互作用，使转子顺时 针旋转，直至转子转至如图2 - 2 ( c ) 所示位置关断功率管正，开通功率管不，电 流经b 相流入，c 相流出，再经z 回到电源，产生如图2 2 ( d ) 所示合成磁场，使 电机继续顺时针旋转，这样在石五、五五、五瓦、五瓦、瓦瓦、瓦五、的循环轮 流导通下，转子不断连续的顺时针旋转。改变各功率管的导通顺序，就可以改变 电机的旋转方向。 1 4 a x ( a ) a x ( e ) z b x z b ( d ) 图2 2 无刷直流电机定转子旋转磁势图 2 1 3 无刷直流电机的数学模型 图2 3 无刷直流电机驱动电路原理图 r u n 匮 - 匿三习懂 + 隆笔鎏 鼍 | + | 吃隧芝攀 十匿 + 瞄 ( 2 6 ) 式中厶，厶，厶为三相绕组的自感，帆，蚝，蚝，虬，m 曲为绕组问的互感；斤 为绕组电阻；，虬为电机三相绕组的相电压；乞，为电机三相绕组的相电 流；乞，吃，e c 为电机三相绕组的相反电动势，为绕组中点电压。经实验测得， 本文中采用的试验样机近似为正弦波反电势，这里选用公式e a = 屯叻b i n 秒求得， k 。为反电势系数，可通过实验测得，为机械角速度，与电角速度之间为p 倍的 关系。 本文采用的断电相电流检测法，是让三相无刷直流电动机工作在两两导通方 式下，在非导通相上施加短时高频的激励电压，测得非导通相的响应相电流，利 用相电流和相电感关系得到转子的位置信息。由于测得的响应电流很小，如果电 机三相之间存在互感，则由互感产生的感应电压将极大地影响测得电流值的大 小，使得电流值不能正确反应转子位置信息，因此，本文采用了一台互感很小的 无刷直流电动机( 主要通过改变电机的结构达到三相间没有互感的要求) ，近似 的有帆= 蚝= m a c = m c a = 蚝= m o b = 0 。 每相自感： 厶= 厶一厶c o s 2 0 厶：厶一厶c 。s 2 ( 0 一：2 万) d 厶= l o 一厶c o s 2 ( o - x ) 其中，厶，厶为每相电感的平均值n t - - 次谐波幅值，秒为转子直轴与定子a 相轴线之间的电角度。于是式( 2 6 ) 可写为： 1 6 荔 = 莒三兰 幸 差 + 言昙三 木丢 差 + 兰 木丢 言 永磁无刷直流电动机的电磁转矩是由定子绕组中的电流与转子磁钢产生的 磁场相互作用而产生的。定子绕组产生的电磁转矩表达式为： 乙= ( e o i o + e a + e c i c ) 国 ( 2 8 ) 机械运动方程为： 乙一瓦一b r _ o 等( 2 - 9 ) 式中为疋肿电磁转矩，瓦为负载转矩，b 为阻尼系数，功为电机机械转速，j 为 转动惯量。 由以上分析可以看到，当转子每转过6 0 。电角度时，逆变器开关管之间就 进行一次换流，定子磁状态就改变一次。可见，电机有六个状态，每一状态都是 两相导通，每相绕组中流过的时间相当于转子旋转1 2 0 。电角，每个开关管的导 通角为1 2 0 。；同时，由无刷直流电机的数学模型及电磁转矩特性可以看出，通 过功率驱动电路控制p w m 占空比，调节加在电机三相绕组上的直流电压，就可以 改变三相绕组上的相电流及反电势，进而控制电机的电磁转矩及转速。 2 2 转子零初始位置检测 三相无刷直流电机本体由永磁体和定子绕组两部分组成。对于定子绕组采用 铁心线圈的永磁无刷直流电机，忽略磁滞和涡流影响后，铁心线圈的磁化曲线， 即b 一日曲线如图2 - 4 所示。由图可见随着磁场强度h 的增加，磁通密度b 的增 加先是较快，后来逐渐减慢下来。这是因为到了后来，大部分磁畴都已转到与外 磁场一致的方向，再加强外磁场也不会有多少磁畴向着外磁场方向调整其排列方 向了。当所有磁畴都转到与外磁场同方向时。附加磁场已不能再加强，即使日再 增加，b 的增加也很有限，这时材料已进入完全饱和状态。与b 一日曲线相对应， 铁心线圈的磁导率盹= b ih 也随日的变化而变化，图2 4 中也给出了他随磁 场强度h 的变化规律，即随着日的增大，l a y e 先是急速增大，后又逐渐减小。此 1 7 7 u u u 隧 卜 ( 1，j 以彩办 。l + 1，j 0 o t 0 幺0 外，由于电枢绕组感应电势e 芘b ，等效励磁电流ho ci ，所以，e ，同样满足如 图2 5 所示的关系。 进入途瓤玖杰 图2 4 铁磁材料的磁化曲线 避入魄鄹绞卷， 图2 5 感应电势一等效励磁电流曲线 根据等效电路的观点，e = 一三号，由图2 - 5 可以看出，随着铁心线圈饱和程度的 n f 变化，等效电感三也会随之变化，即等效电感随着铁心线圈内部磁通的变化而 变化。 对于无刷直流电机，在定子绕组施加一定电压的情况下，气隙磁场由转子磁 势和定子电枢磁势的合成磁势来产生。定子电枢磁势的大小能直接影响电机磁场 的饱和程度。当磁场饱和程度发生变化时，定子电枢反应等效电感会随着气隙合 成磁通的强弱而变化。磁场越饱和，等效电枢电感越小。同理，当转子处于某一 固定位置，而定子绕组施加不同方向的电压矢量时，其合成磁势也将变化，铁心 电感l 也自然随着合成磁势的变化而变化。假定电机空载时运行在图2 - 6 中空载点 位置。如图2 6 所示，假定定子电枢绕组的合成磁势指向a 相相轴，电机转子磁 势在图2 6 ( a ) 中虚线以左半平面内的位置时，转子磁势与定子磁势成大于9 0 。的夹角，电枢磁势对转子磁势起去磁作用，则此时电机运行在图2 7 中a 点位置， 此时等效电枢电感的电感量记为厶；相反，当电机转子磁势在图2 - 6 ( b ) 虚线以 右半平面内的位置时，电枢磁势对转子磁势起增磁作用，此时电机运行在图2 7 中b 点位置，此时等效电枢电感量记为厶，显然厶 厶。 1 8 y c ( 毪) 去磁( b ) 增磁 图2 - 6 定转子磁势 l 图2 - 7 感应电势一等效励磁电流曲线 实际操作中，当转子处于不同的零初始位置时，通过p w m 变换器给定子绕组 在固定的时间内加恒定的电压矢量，则流过定子绕组的电流值不同；同样的，当 转子处于某一固定位置，如果给定子绕组加上不同方向的电压矢量，则测得的电 流值也各不相同，可以通过比较电流值的大小来确定转子磁极的位置。 2 3p v n , t 互补检测法的原理及仿真 2 3 1p 删互补检测法的基本原理 断电相电流检测法，即让三相无刷直流电动机工作在两两导通方式下，在非 导通相上施加短时高频的激励电压，测得非导通相的响应相电流。由于测得的电 流反映了转子的不同位置，可以利用电流所反映的位置信息，关断正在导通相或 开通即将导通相，由此实现了无位置传感器检测转子位置信息。本文将要讨论两 种具体的实现方式，以图2 - 3 所示的无刷直流电机驱动原理图进行说明。本章重 1 9 点介缁p w m 且补位测珐。 p 1 j i m 互补检测法的具体实施方案：假设此时彳百通电工作( 即石，瓦导通) ，c 相 断开。根据断电相电流检测法的原理，使瓦，毛工作在互补导通的状态下，即让互 导通一段时间( 记为) ，测得c 相上的电流并保存、比较，然后关断正，立即 让互导通同样的一段时间，同样测得c 相上的电流并保存、比较，再关断正， 导通五，重复以上操作，互一乃j 五j 重复直至获得彳百通电结束的电流信 号，然后电机换相至彳e ( 即五，互导通) 通电工作，此时换至乃，瓦工作在互补导通 的状态下，检测方法同上。 以彳百导通工作为例，如图2 - 3 箭头所指的方向为正方向，当互导通、五关断 时，对于c 相可写出方程： “= t 吹心鲁+ 鲁m ( 2 _ 1 0 ) 正导通、五关断时，则有： 一= 口r + 三c 生d t + f c 堕d t + 巳 ( 2 - 1 1 ) 本文所采用的实际电路中，将通过两个电容将的值固定在丢，则进一 步有： 1u 硼+ 哮+ 喙把 协 三= 艺暖+ 磅+ 乏警+ 巳 由于运动电动势芒华很小，可以忽略，故两方程式可简化为： 。衍 一三= 哝+ 厶孝+ 巳。2 一。3 ) 三= 艺田+ 碍+ 巳 又因为( i f 嗽+ 巳) 和( 皿+ 巳) 的值与三的值相比起来都很小( 通过仿真 可以骀证) 盐卜沭两式可以讲一= 5 莎简化为： 2 0 一扣哮协 三= 厶鲁 一三 馘2 出( 2 - 1 5 )