无刷直流电机无传感器速度控制系统——文献综述.pdf

文文文文 献献献献 综综综综 述述述述 题目 无传感器无刷直流电机速度控制系统设计 导师 赵金 何衍 作者 彭振峰 日期 2012 年 2 月 26 日 题目 无传感器无刷直流电机速度控制系统设计题目 无传感器无刷直流电机速度控制系统设计 TheTheTheTheDesignDesignDesignDesign ofof ofof SensorlessSensorlessSensorlessSensorless BrushlessBrushlessBrushlessBrushless DCDCDCDC MotorMotorMotorMotor DriveDriveDriveDrive 摘要 随着无刷直流电机 BLDC 的应用越来越广泛 使用无传感器控制的驱动方式已经成 为研究的热点和发展趋势 本文为无刷直流电机无传感器控制方式的综述 总结了无刷直流 电机的无传感器控制方案研究的现状 研究方向 进展情况及存在的问题 介绍了多种无位 置传感器情况下无刷直流电机的启动方式及如何利用电机运行过程中的电磁信号来获取转 子位置信息 以取代位置传感器的功能 达到良好的控制效果 引言 无刷直流电机具有控制方便 功率密度高 运行可靠 结构紧凑等显著优点 在伺服系 统 电动车辆 机器人及家用电器等领域得到了越来越广泛的应用 但由于位置传感器带来 的额外费用及无法在苛刻条件下使用等缺陷使得人们不得不开始研究无位置传感器的控制 方式 无传感器控制的关键技术之一为利用电机运行过程中的电磁信号来准确推算出转子位 置 完成电流换向 实现位置传感器的功能 在电机静止或者运行速度很慢的情况下 很难 由微弱的电磁信号来获取准确的位置信号 因此电机的顺利启动也是一个极为关键的步骤 在过去的三十年里 各种各样构思巧妙的无传感器控制方案被相继提出 调速范围也不断得 到扩展 特别是近年来 随着数字信号处理技术的飞速发展 大量高速度高精度的微处理器 数字信号处理器 DSP 相继问世 在实时性和精度保证下 无传感器控制方案也向更加复 杂更加智能的方向发展 结合了模糊控制 智能控制等先进控制方式的算法大大提高了电机 控制系统的鲁棒性 国内外研究现状 1 检测及控制方案 根据不同的转子位置检测技术 无刷直流电机的无传感器控制方案可以大致分为以下几 类 1 1 反电动势法 理想的无刷直流电机的反电动势及驱动电流波形如图 1 所示 图 1 无刷直流电机的反电动势及驱动电流波形 常用的无刷直流电机驱动电路及其等效电路如图 2 所示 17 图 2 无刷直流电机的驱动电路及等效电路 染色部分 1 1 1 传统的反电动势检测 对于使用 120 导通方式的全桥驱动电路 无刷直流电机中在任何时刻都只有两相是导 通的 另一相处于悬空状态 因此可以将悬空着的另一相作为传感器 Kenichi Hzuka 等人 提出了使用反电动势过零检测来实现换向的方法 1 通过检测悬空相反电动势的过零点 并经过 30 电角度的延时后 就可以得到下一个换向时刻 这是反电动势过零检测法实现 换向的雏形 为了降低噪声干扰 提高检测的精度 需要使用低通滤波器来处理检测信号 另一方面 延迟 30 电角度的时间与电机的转动速度有关 因此在电机加速或者减速运行 时 延迟时间精确度会受到影响 进而影响电机的控制性能 同时 由于低通滤波器的引入 滤波带来的延时也需要考虑 2 中详细讨论了反电动势过零检测后的相位修正处理方法 以最常用的分压并经过电容滤波来处理检测信号为例 见图 3 则由于滤波处理带来的相 角移位为 1 21 21 2 arctan RR CfRR 其中 f 为反电动势运行频率 由式 1 可知 在不同的运行速度下 低通滤波器带来 的相角移位也不同 因此 需要根据检测到的反电动势来推算出电机的运行速度 以做出准 确的相位补偿 图 3 RC 低通滤波器 由于反电动势正比于电机运转速度 在电机静止或者低速运行时 反电动势不存在或者 很弱 因此增大了检测的难度 降低了检测的精度 使得该无传感器控制方案在静止或者低 速下无法使用 通常的无传感器控制系统中 首先并没有使用反电动势信息 而是使用另外 的方法将电机启动到一定速度后才开始切换到无传感器控制方案 正是由于反电动势检测法的这些特性 电机在低速及高速情况下性能不佳 调速范围大 体限制在 1000 6000rpm 内 3 1 1 2 续流二极管通断检测法 Satoshi Ogasawara 和 Hirofumi Akagi 学者提出了一种间接检测反电动势的方法 该方法 大大提高了调速范围和检测精度 4 在以 120 电角度导通的 Y 型联结的无刷直流电机中 总有一相是开路的 为了实现对转速的控制 将 PWM 信号叠加到逆变器的控制开关信号上 如图 4 所示 图 4 在可变斩波控制下的驱动信号 当 PWM 为 ON 状态时 即有两相被激励时 假设该两相为 A 相和 B相 则在这两相 中有电流流过 在 PWM 切换到 OFF 后的一段时间内 由于电感的作用仍然有电流流过 此时三相定子线圈的中位点的电压为 2 cn ev 2 1 C 相端电压为 3 22 3 FCE cC VV eV 其中和为开关管和续流二极管的前向压降 二者的值均很小 当满足 CE V F V C V 4 FC VV 时 C 相低电压端的续流二极管就会导通 由于 电压值很小 当略小于 0 时式 CE V F V C e 4 成立 通过检测该续流二极管的通断情况可以得到反电动势的过零点 如图 5 所示 C e 图 5 C 相低电压端续流二极管通断检测的简化电路 该电路通过检测各相低电压端的续流二极管的通断情况来间接实现检测反电动势过零 是对直接反电动势过零检测的扩展 正是由于续流二极管的高灵敏性 该方案能适用在更低 速的情况下 根据 4 中的数据 该方案的调速范围为 45 2300rpm 在 45rpm 的低速情况下 就能正常工作 这无疑大大简化了电机的启动步骤 由于续流二极管导通检测法是在 PWM 为 OFF 状态下检测的 因此 PWM 占空比被相 应地限制了 过高的占空比将导致 PWM 处于 OFF 状态的时间过短 增加检测的难度 同 时 为实现高精度的电流检测 相比传统的反电动势过零检测方法 该方案需要更多的附加 电路 一定程度上增加了成本 1 1 3 线反电动势检测 针对传统的相反电动势检测法需要做 30 电角度移位的缺点 5 6 中提出了使用线反 电动势过零来作为换向信号的方案 图 6 绘出了理想情况下线反电动势的波形 图 6 无刷直流电机线反电动势波形 从图中可以看出 线反电动势过零点即为电流的换向点 理想条件下 该方案略去了与 速度相关的 30 相角延时 能够及时得到准确的换向信号 但实际情况下 为了去除高频 噪声的影响 必须使用低通滤波器来处理得到的信号 这样必将引入一个由滤波器带来的信 号滞后 影响电机的控制性能 为了解决这个矛盾 5 中使用了常用的 RC 滤波器 然后进 行相位补偿 根据由滤波器引入的相位滞后值来估计一个阈值 当线反电动势到达该阈值时 即认为换向时刻到来 实际上 滤波器的相位滞后值仍与电机的运行速度相关 设计一个在 全速度范围内滤波器带来的相位滞后值基本不变且能保证滤波效果的滤波器非常困难 12 另一方面 该方案没有改善传统的相反电动势过零检测算法在低速下性能不佳的缺点 因此 该方案适用在低费用及性能要求不高的系统中 1 1 4 可变参考电平 以上所提到的检测相反电动势过零的方法中 均使用电机中定子线圈的中位点的电压作 为参考电平 由于在电机的控制过程中高频 PWM 开关信号导致定子线圈的中位点电压一直 在不断变化 因此处理相反电动势时需要使用低频滤波器滤去高频成分 在文献 7 8 9 中 提出了一种可变参考电平的相反电动势过零检测方案 以 C 相悬空时为例 检测 C 相端电 压 当 PWM 为 ON 状态时 5 CDCC eVV 2 3 2 1 当 PWM 为 OFF 状态时 6 dCC veV 2 1 2 3 式 5 中为逆变器源端直流电压 式 6 中为二极管正向压降 DC V d v 根据电机控制速度的需要 当 PWM 占空比很小时 采用式 6 来检测反电动势 并 注意到低速时的效果不能忽略 因此在检测到的端电压上叠加上 补偿偏置 当PWM d v d v 2 1 占空比很大时 采用式 5 来检测反电动势 此时的参考电平是 这种方式很大程 DC V 2 1 度上降低了 PWM 信号引入的高频噪声 因此控制性能良好 根据 9 调速范围可以扩展 到 50 2500rpm 1 2 三次谐波法 反电动势三次谐波检测也是一种高效的方法 通过对电枢三相相电压的简单叠加 反电 动势的基波分量及一些高次谐波分量由于同相而互相叠加 可以从中提取出 3次谐波分量 在任何转速及负载的情况下 3 次谐波分量与转子磁势总是保持一个恒定的相位差 并且不 受逆变器变流干扰的影响 11 通过对三次谐波信号的积分 可以得到转子的磁通信号的三 次谐波分量 检测磁通信号的三次谐波分量的过零点即得到换向信号 由于该方法不像反电 动势检测法那样对高频信号和相移敏感 因此能获得更高的调速范围 也不需要设计高性能 的滤波器 使用反电动势三次谐波检测可以达到 100 6000rpm 的调速范围 10 中给出了使用反电动势三次谐波检测来提高电机性能的另一种途径 使用精心设计 的转子结构来增加检测的精度 提高电机的性能 1 3 智能方法 智能算法具有较强的自调节能力 鲁棒性好 对参数较为不敏感的优点 在无刷直流电 机运行中 其电磁信号含有大量高频噪声 且电机的参数可能随着运行时间 外界温度等参 数而发生偏移 针对这些特性 可以利用智能算法的自适应及强大的泛化能力来实现鲁棒控 制 文献 14 中利用了模糊逻辑来实现对转子位置的准确估计 收效良好 15 16 中均以反 电动势检测为基础 使用智能算法来改善电机工作性能 15 中使用 BP 神经网络与传统 PID 调节器相结合的方式 以反电动势检测为基础 使用 BP 神经网络来实时调节 PID 参数 以 在最大程度上减少由于反电动势检测偏差及相移偏差带来的影响 16 中使用模糊逻辑作为 电机转速控制的算法 调节 PWM 占空比 效果优于传统控制方法 使用智能算法来提高电机性能的方案在通常情况下分为两类 一是建立在反电动势过零 检测的基础上 利用智能算法的自适应性及泛化能力修正由于反电动势检测和相位补偿带来 的误差 另一种情况是设计观测器 如卡尔曼滤波器 通过检测电机电磁信号 结合电机 运行时的状态方程 充分利用智能算法较好的容错性及对参数不敏感的特性估测转子位置或 者磁链等信息 引入智能算法大大增加了系统的运算数据量及复杂度 但是随着高速数字信 号处理器的发展 实时性和准确性都能得到保证 因此使用智能算法提高控制系统的性能是 一个很好的选择 1 4 其他方法 传统反电动势过零检测方法需要 30 相移 13 中采取了方程来检测换向点 避 G 免了移相步骤 根据无刷直流电机的等效电路 有 其中即为反电动势项 令 dt d r 则 构造 由上式可以看出 与电机运行速度无关 为了消除移相的步骤 与线反电动势过 G 零检测类似 使用线 线间的 当出现跳变时即为换向点 这种检测方式构思巧 G G 妙 但是检测得到的电压 电流信号并没有经过低频滤波器滤波 因此难免会响检测的准确 性 在另外一种独特的检测方式中 只用了四个开关管 相反电动势检测在四个开关管中实 际上相当于通常情况下六个开关管驱动的电路中的线反电动势检测 6 2 启动方式 对于无传感器无刷直流电机的控制来说 启动过程非常重要 只有在电机达到一定的速 度情况下才能给检测电路提供足够幅度的电磁信号 因此一个好的启动方式是实现良好控制 的必要前提 2 1 开环启动 无刷直流电机在本质上是一个同步电机 开环启动就是将直流无刷电机当成一个同步电 机来启动 最常用的是三段式启动方式 文献 18 中对三段式启动方案作了深入的探究 初始定位阶段 通过对定子两相线圈的激励 使得转子定位在一个已知的地方 为了减少转子的震动 提供的激励电流不宜过大 在转子 稳定后 根据设计的转动方向提供相应的激励电流 并根据实际情况逐渐增大激励电流的幅 值和频率 19 中提议 对于给定的电机 在一定的电流激励下 使用一个测速仪测量电机 在该激励电流下的速度变化曲线 则从开始激励到电机达到最大速度时的时间间隔即为最佳 激励时间 同时 电机转速达到最大的时刻也是换向时刻 换向后重复这一步骤 直到电机 达到一定的速度为止 这种启动方式的成功率很高 但是局限性也很大 不具备通用性 当 使用另外一种电机或者改变电机启动所带的负载时 必须重新进行实验以实现最优启动 这 是一个不小的工作量 电机达到足够的转速时 不能立即由开环启动的方式切换到无传感器控制方式 若作为 同步电机启动时的驱动信号与无传感器控制方案得到的驱动信号之间存在较大的相位差 则 很可能会出现失步或者大幅震荡 最终导致启动失败 切换之前必须调节使二者之间的相位 差小于一定的范围 2 2 电感法启动 文献 20 21 22 中提出了一种全新的启动方式 具有通用性并且能达到 30 电角度的 分辨率 根据定子铁芯的磁饱和效应 定子线圈的电感会随着转子位置的不同而改变 使得 RL 定子线圈的时间常数略有变化 因此对于给定的激励电压 不同的定子线圈会有不同的 电流响应 如图 7 所示 图 7 不同时间常数下的电流响应 在转子静止的情况下 各相的反电动势均为 0 此时依次对不同的定子线圈组合 AB BC CA AC CB BA 施加的同样的激励脉冲 得到各种情况下的电流响应 找出其中 最大的电流值对应的线圈组合 如图 8 所示 图 8 启动电压向量图 在图 8 中 由于转子永磁体的影响 使用激励电压向量 V5 即激励线圈组合 AC 时 会得到最快的电流响应 在激励电压施加一段时间后测量各种情况下的电流值即可找出最快 电流响应的线圈组合 最佳激励时间可以根据线圈的时间常数求出 此时已经找出转子的初 始位置 第一步完成 找到转子的初始位置后 根据旋转方向可以确定接下来的激励电压向量 由于此时定子 线圈中已经有了反电动势 因此不能再像确定初始位置时那样来确定转子的位置 假设此时 的激励线圈为 AB 对应激励电压向量 V4 经过换向后为 AC 对应激励向量 V5 则将 测试激励矢量限制在 V4 和 V5 之间 采用的方式为 使用 V4 长脉冲作为驱动 同时间隔 性地使用 V5 激励 并监测这两种激励下的电流响应 当发现 V5 激励下的电流响应快于 V4 激励下的电流响应时 开始实施换向 如此循环 直到电机达到足够的速度 相比开环启动 这种启动方式具有较好的通用性 在电机类型或电机负载改变时仍能适 用 随着 DSP 等高速数字信号处理器的发展 可以通过多次测量的方式来降低噪音带来的 干扰 该启动方式的缺点是在加速过程中 由于交替使用了长短两种激励电压向量 且在两 种不同电压向量激励下产生的转矩不同 因此存在转矩波动的问题 总结 反电动势过零检测仍是无传感器控制方案中的主力军 该方法应用广泛 发展臻于成熟 在中速范围内性能良好 且对硬件及软件要求不高 是低成本中性能控制器的首选方案 如 何拓宽反电动势过零检测方案的调速范围是研究的主要方向 23 在低速范围内 反电动势三次谐波检测方案优于反电动势过零检测 且对噪音敏感度小 不需要精密的滤波器 但由于使用了积分器 因此可能存在累积误差 且三次谐波的幅值相 比基波来说小很多 需要较为灵敏准确的检测器 同时 三次谐波检测的方法更适合某些特 殊结构的电机的控制 也有学者在研究如何通过改变电机结构来优化三次谐波检测方案的性 能 10 微处理器 DSP 等器件的高速处理能力使得越来越多的学者向着使用复杂的观测器并 结合智能算法来推测转子位置信息的方向努力 充分利用电机运行时的电磁信息 并借助于 智能算法的自适应能力和泛化能力 不少控制方案在电机高速范围内得到很好的应用 这些 方案具有实时性好 高性能的优势 16 良好的启动方式也是无刷直流电机运行必不可少的步骤 启动方式向着强通用性 稳定 性的方向发展 参考文献 1 K Ikuka Microcomputer Control for Sensorless Brushless Motor IEEE Transactions on IndustryApplication Vol1A 27 pp 595 601 May June 1985 2 张相军 陈伯时 朱平平 等 直流无刷电机无位置传感器控制中反电动势过零检测算法及 其相位修正 电气传动 2001 2 14 16 3 J Johnson M Ehsani andY Guzelgunler Review of sensorless methods for brushless dc in Conf Rec IEEE IAS Annu Meeting 1999 vol 1 pp 143 150 4 S Ogasowara H Akagi An Approach to Position Sensorless Drive for Brushless DC Motors IEEE trans on IndustryApplications 1991 27 928 933 5 李志强 夏长亮 陈炜 基于线反电动势的无刷直流电机无位置传感器控制 电工技术 学报 2010 年 07 期 6 Niasar A H Moghbeli H Vahedi A A Novel Sensorless Control Method for Four Switch Brushless DC Motor Drive without Using any 30 degrees Phase Shifter IEEE Proceeding of International Conference on Electrical Machines and Systems 2007 Oct 8 11 pp 408 413 7 Yen Shin Lai Yong Kai Lin Novel Back EMF Detection Technique of Brushless DC Motor Drives for Wide Range Control Without Using Current and Position Sensors IEEE transaction on Power Electronics vol 23 2 pp 934 940 8 Jianwen Shao Nolan D Hopkins T A Novel Direct Back EMF Detection for Sensorless Brushless DC BLDC Motor Drives Applied Power Electronics Conference and Exposition 2002 APEC 2002 Seventeenth Annual IEEE pp 33 37 vol 1 9 Jianwen Shao Nolan D Hopkins T Improved Direct Back EMF Detection for Sensorless Brushless DC BLDC Motor Drives Applied Power Electronics Conference and Exposition 2003 APEC 03 Eighteenth Annual IEEE pp 300 305 vol 1 10 王凯 金孟加 沈建新 三次谐波法控制的高速无刷电机转子结构研究 浙江大学学报 工 学版 Vol 44 No 3 Mar 2010 11 陈剑 陆云波 鱼振民 无刷直流电机驱动控制的 3 次谐波检测法 伺服技术 12 Mingyao Lin Weigang Gu Wei Zhang Qiang Li Design of Position Detection Circuit for Sensorless Brushless DC Motor Drives Electric Machines Tae Sung Kim Ji Su Ryu Dong Seok Hyun Fuzzy Back EMF Observer for Improving Performance of Sensorless Brushless DC Motor Drive Applied Power Electronics Conference and Exposition 2006 APEC 06 Twenty First Annual IEEE 15 Jianbo Cao Binggang Cao Wenzhi Chen Peng Xu Xiaolan Wu Neural Network Control of Electric Vehicle Based on Position Sensorless Brushless DC Motor Robotics and Biomimetics 2007 ROBIO 2007 IEEE pp 1900 1905 16 Jung Sheng Wen Chi Hsu Wang Ying De Chang Ching Cheng Teng Intelligent Control of High Speed Sensorless 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