无刷直流电机无传感器速度控制系统——开题报告.pdf

开开开开 题题题题 报报报报 告告告告 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 3 月 2 日 TheTheTheTheDesignDesignDesignDesign ofof ofof SensorlessSensorlessSensorlessSensorless BrushlessBrushlessBrushlessBrushless DCDCDCDC MotorMotorMotorMotor DriveDriveDriveDrive 无传感器无刷直流电机速度控制系统设计无传感器无刷直流电机速度控制系统设计 项目背景 无刷直流电机由于其优越的性能得到越来越广泛的应用 在传统的无刷直流电机控制系 统中 必须使用如霍尔元件等位置传感器来提供位置信号 霍尔元件对温度 电磁噪声等外 界环境要求苛刻 同时增加了控制系统的成本 这在一定程度上限制了无刷直流电机的应用 因此 研究无位置传感器的无刷直流电机的控制方案有重要的意义 方案拟定与分析 1 控制方案选择 通过对多种无刷直流电机的无传感器控制方案的比较与综合 结合线反电动势检测的简 易性 2 3 及可变参考电平方法对噪音的高容忍性的优点 4 5 提出以下的控制方案 根据 PWM 占空比的大小选择参考电平 当占空比大于 50 时 PWM ON 的时间比 PWM OFF 的时间长 因此在 PWM ON 的时间段内检测 反之则在 PWM OFF的时间段内检测 在电机运行时 各相电压 电流 反电动势的关系为 7 nC C CC nB B BB nA A AA ue dt di MLRiu ue dt di MLRiu ue dt di MLRiu 式中为相电阻 为相电感 为互感 分别为 A B C 三相的反电动RLM CBA eee 势 为中性点电压 n u 以激励 A B 两相 C 相悬空为例分析具体的检测过程 在换向信号到来之前 C 相不 会有电流通过 14 因此 BA ii nCC nB B B nAA ueu ue dt di MLRiu ue dt di MLRiu 可以得到 ACAC ABAB e dt di MLRiu e dt di MLRiu 2 其中 CAAC BAAB CAAC BAAB eee eee uuu uuu 当在 PWM ON 状态检测时 有 为 MOSFET FDCAB VVu2 CFDCAC uVVu F V 的前向导通压降 为逆变器直流电压源端电压 DC V 当在 PWM OFF 状态检测时 有 为二极管 DFAB VVu CDFAC uVVu D V 导通压降 需要测量的值为电流及悬空端的电压大小 根据测量者实时计算线反电动势的大小 ACABBC ACAC ABAB eee dt di MLRiue dt di MLRiue 2 当出现线反电动势过零时即为换向点 若检测效果不好 则可以采用的方式来增 BC AB e e 大接近为 0 时的灵敏度 6 或者利用梯形反电动势在非平顶区的线性特征 通过检测过 BC e 程中得到的多对组合 采用最小二乘法拟合出最优直线 从而间接求得电动势过零时 te 刻 最小二乘法充分利用了 DSP 快速处理的特点 并且能够通过对数据点准确性的检测 撇弃那些可能的噪音点 提高系统的鲁棒性 在电压检测过程中 DSP 模式转换模块输入引脚内可能存在寄生电容 导致在下一次 采样时刻上次转换时的存储电压还为释放完 从而出现误差 因此 可以通过外接一个二极 管及串联小电阻的方式快速释放寄生电容上存储的电压 9 2 启动方式选择 良好的启动方式是保证无刷直流电机能顺利切换到无传感器工作模式的关键因素 三段 式启动方式比较常用但是通用性不强 并且在升频加速的过程中很难确定具体的频率数值 若只凭感觉随意选取 则极有可能会出现震荡或者失步 导致最终启动失败 使用测速仪辅 助确定速度曲线可以大大增加启动的成功率 但曲线确定较为复杂 并且电机的参数或者负 载改变仍然很可能启动失败 因此本项目启动方式主要思路为采用电感法 利用定子线圈电感随转子位置的改变而变化的原理 激励不同的定子线圈会有不同的电 流响应 根据电流响应来确定转子的位置信息 这种启动方法虽然相对比较复杂 但通用性 强了很多 并且在硬件上只需要在开关管的低压端与电源负极之间接上一个精密取样电阻即 可 对于三相无刷直流电机 在传统的电感法启动方式中 第一步使用六个不同的电压向量 来检测得到转子的初始位置 之后使用另外的长短脉冲交替的方式完成加速及切换时刻检测 的任务 实际上 第一步完全可以用三段式启动中的预定位方法来代替 在三段式启动方式 中 激励两相适当长的时间就可以实现预定位的功能 8 在本项目中 借鉴三段式启动中 的预定位方式 尽管启动时间会略有增加 但简化了启动步骤 预定位完成后 根据期望的电机转动方向 可以确定下一个激励电压向量 这时采用电 感法中的检测方式 使用长脉冲使电机加速 同时使用短脉冲检测转子位置 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 需要注意的是 在长脉冲激励完毕后 须等待至电流降为 0 后再用短脉冲激励 保证检测结果的准确性 由 于电机的电磁时间常数远小于机械时间常数 因此此时可以近似认为电机的转子位置及速度 没有改变 不会因此而影响检测结果的准确性 在检测过程中 从开始激励到开始检测的时间设为 不论过小或者过大 得到的两 s t s t 个电流之差都会比较小 降低了灵敏度 根据计算 最佳的略小于电机的一相时间常数 s t 由于采用的启动方法始终是根据转子的位置信息来换向的 因此不需要像三段式启动那 样使外信号与反电动势检测得到的信号同步 切换过程比较简单可靠 在启动过程中 由于电机的速度很小 因此反电动势也很小 启动电流相对较大 因此 使用逐步增大激励电压的方式来使电机加速 确保足够大的电磁转矩的同时限制启动电流 保护电机 可行性分析 1 检测时间是否充足 对于一个三相四极无刷直流电机 假设额定速度为 3000rpm 则对开关管的开关频率的 最低要求为每秒 次100 60 p n 若选取开关频率为 20K 的 MOSFET 根据拟定的方案 可供处理器采样并进行数模转 换的时间最小为 s K 25 50 20 1 使用的型号为 TMS320F2812 的 DSP 作为处理器 根据其数据手册 最小的 AD 转换时 间为 80ns 因此在一个 PWM ON 或者 OFF 的时间段内 可以进行 312 次采样与转换 显然 可以满足要求 2 微分运算是否可靠 在检测过程中 ACAC ABAB e dt di MLRiu e dt di MLRiu 2 尽管对电流的微分可能放大误差 但考虑到 通常情况下相差 2 3 个数量RML 种不稳定的状态 当负载加重时电机速度下降 导致越来越大 直到最后出现失步甚至反 转而导致失败 若开环启动方案中设置逆变时间不够 则电机还没有转过足够的角度时下一 个逆变时刻到达 同样会导致增大 最终很可能会启动失败 若逆变之后 则电 90 不变 电机转速均匀上升 则源端电压也应为线性增长 设激励电压向量的持续时间分别为 为了保持电机运行的稳定 在每个激励 n ttt 21 电压向量期间电机转过的角度均为 p 为电机极对数 由可以求出 p6 2 p nktdt t 6 2 0 1 12 1 1 12 6 2 2 tnnt tt k p t n 至此确定了各个逆变时刻 2 2 2 仿真验证 使用 MATLAB 搭建仿真平台 其中无刷直流电机的参数为 相电阻 相电感 H 电压转速 比 转矩电流 比 J kg m2 f N m s p 对 2 87508 5e 3147 v rpm 1 4 N m A 0 00080 0014 计算 电机在初始状态时速度很小 此时忽略反电动势 且电机相电流的时间常数为 1 t 若忽略电感影响 电机空载启动 取初始启动电压为 20V 则启动电流ms R L 3 电 磁 转 矩 根 据得 由A R U i5 3 2 mNikT te 9 4 e T Jdt d1 t6125 得 因此可以忽略相电感对电流的影响 根据上文对电机运行 t tdt 0 46 2 6125 mst2 9 1 过程中稳定性的分析 激励持续时间宜稍稍延长 同时兼顾电感的存在 在本次仿真中取 在经过 4 次加速后使用恒压恒频的电压使电机维持速度不变并达到平衡状态 mst12 1 根据以上的分析 可以依次求出 在经过这 4 次加速后 电机将达到一定的速 432 ttt 度 此后利用电机运行过程中本身的自平衡能力 使电机维持在该速度下运转 因此之后的 激励电压时间 465 tttt n 电压变化规律 根据上面的分析 电压也呈线性增长 但考虑到实际应用时 线性增长 的电压不容易得到 因此将线性电压离散化 如下图所示 在某个电压矢量的激励时间内 取该时间段中点对应的电压值为激励电压值 电压的上升斜率为 2000V s 实际上 从上图中可以看到 第一激励阶段的激励电压约为 30V 此时对应 但在本次仿真中仍然使用的是 12ms 仿真结果将说明这并不会影响电机的成mst6 7 1 功启动 根据各个阶段的激励时间得到开关管的驱动信号 如下图所示 仿真结果为 从仿真结果中可以看出 启动初期电机近似为恒加速度启动 其中在 14ms 左右出现的 凹陷是由于设置过大引起的 理论计算结果为 7 6ms 设置值为 12ms 但之后由于电机 1 t 自身的调节能力 转子又重新加速 直到 30ms 左右 此后是使用恒压恒频激励 电机慢慢 稳定下来 因此该方法能够顺利使电机启动 2 2 3 适用性讨论 针对这种启动方案做了一系列的仿真 表明该启动方案具有良好的适用性 但不同于电 感法启动 该方案需要通过电机的各个参数来计算出各个阶段的激励时间 并选取合适的激 励电压 下面的仿真结果将说明 该启动方案对一定程度上的负载变化 初始时间设定 电 压的上升速率 加速步数不敏感 在性能上优于传统的使激励时间线性递减等开环启动方案 设置初始电压为 10V 电压上升速率为 3000V s 加速步数为 4 仿真结果mst12 1 为 设置初始电压为 20V 电压上升速率为 2000V s 加速步数为 6 仿真结果mst12 1 为 设置初始电压为 10V 电压上升速率为 3000V s 加速步数为 6 在 80msmst12 1 时施加 12N m 的负载 仿真结果为 在 80ms 时出现了转速的下降 但转速又慢慢上升 重新回到了平衡状态 设置初始电压为 10V 电压上升速率为 4000V s 加速步数为 6 仿真结果mst9 1 为 2 2 4 总结 根据以上的分析及仿真结果 这种启动方式能够使电机从静止启动到一个较大的转速并 保持稳定 该方案不需要任何传感器 是一种比较可靠的开环启动方式 根据电机的参数计 算出第一步加速的持续时间很关键 同时加速步数也不能太大 随着 t 的增大 线性度会越 来越差 在上面的仿真实验中选取加速步数为 6 即可达到将近 1000rpm 的转动速率 显然 满足切换至无传感器控制方案的条件 该方案的适用性及成功率比传统的使用持续时间线性 减少开环启动方案要高 但抗干扰性及总性能逊于使用电感法的闭环启动方式 实施计划 3 4 月 学习 DSP 编程及硬件电路 4 5 月 调试系统 优化性能 若时间允许尝试使用其他的控制方案 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 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 3 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 4 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 5 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 6 Ehsani Mehrdad Kim Taehyung Advanced Sensorless Drive Technique for Brushless DC Motors United States Patent US 2004 0251860 A1 7 Pillay P Krishnan R Modeling Simulation and Analysis of Permanent Magnet Motor Drives Part 11 The Brushless DC Motor Drive IEEE transaction on Industry Applications pp 274 279 8 沈建新 吕晓春 杜军红 陈永校 无传感器无刷直流电机三段式起动技术的深入分析 微特电机 1998 年 5 期 9 Jianwen Shao Direct Back EMF Detection Method for Sensorless Brushless DC BLDC Motor Drive Thesis for master degree 10 Hu Hao Xu