基于反电动势检测方法的无位置传感器控制器设计,基于反电动势检测方法的无.doc

基于反电动势检测方法的无位置传感器控制器设计,基于反电动势检测方法的无 第7卷第3期xx年9月西安职业技术学院学报J ournalof Xi hnV ocationaland Technical CollegeV017No3Sepxx基于反电动势检测方法的无位置传感器控制器设计王琛，李延升(1西安职业技术学院机电工程系，陕西西安710077；2陕西省电力公司检修公司，陕西西安710048)摘要主要是对对转永磁无刷直流电机的无位置传感器设计进行了研究在分析反电动势过零点检测内、外转子位置的基础上。 基于构造虚拟中性点实现反电动势过零点检测方法设计一台无位置传感器控制器，包括硬件和软件系统设计，并进行了驱动电机空载和负载实验实验表明所设计的控制器是正确和有效的关键词对转永磁无刷直流电机；反电动势；转子位置；无位置传感器TM33A (xx)03-4206对转永磁无刷直流电机具有有刷直流电机的良好特性，是由于逆变器功率器件的导通与关断取决于电机的内、外转子位置信号，该信号在控制过程中是必不可少的由于电枢绕组在旋转，安装在电枢转子上的转子位置传感器需用滑环和电刷供电和引出位置信号，导致电机结构复杂、体积增加、可靠性降低文献采用12个霍尔位置传感器分别检测两个转子相对于支架的位置信号，再通过两者关系解算出相对位置信号，但是仅在电枢和永磁体转子转速相同且转向相反的前提下适用无位置传感器检测技术是通过在线检测电机的参数或电机运行时的物理量来间接地推测出转子的位置文献通过检测逆变桥中反并联于开关管的续流二极管导通与否，从而判断转子位置文献针对无刷直流电机非线性严重而导致控制困难的问题，利用无轨迹卡尔曼滤波算法设计了观测器，以估计转子位置和角速度文献通过在绕组中施加方波电压脉冲并检测其产生的电流幅值，经比较得出电感差异，从而得到了转子位置信号1反电动势过零点检测方法原理分析当反电动势平顶宽度为120。 电角度的梯形波、相电流为理想方波时，一电周期内A相反电动势和绕组电流的表达式为6E t o tTr E一6E(t otTr一1)一E6E(t otr一 2、0tot (2)一Im77r6t ot117r6011I r6t ot27r B相和c相的反电动势波形和电流波形与A相大小相同、相位分别相差2w3和47r3，其中反电动势表达式如式 (3)和 (4)所示xx0504作者简介王李延升(1983一)，男，陕西咸阳人，陕西省电力公司检修公司工程师，博士研究生琛(1985一)，女，陕西西安人，西安职业技术学院机电工程系助教，硕士；42王琛，等基于反电动势检测方法的无位置传感器控制器设计一层6E(t otr一23)-6E(t otzr53)一0S totr2，r2tot5r65r6S tot323r2S tot11r611r6tot2rr E一6E(t otcr一13)一层6E(t otzr一43)E0s tot67r6t ot5r65676 (4)7，r6tot11r611r6tot2rr因此，只要检测到各相反电动势的过零点，延迟30。 电角度，即为各相电流换相点，此刻触发相应的功率管导通，从而实现对转永磁无刷直流电机的无位置传感器换相控制假设对转永磁无刷直流电机三相绕组空间上对称分布，等效电路参数均相等，忽略齿槽效应和电枢反应，气隙磁场分布近似梯形波，根据对转永磁无刷直流电机电路拓扑结构可得到每相电压瞬时方程为一。 =。 r+()dia+e+b=ibr+ (一)dib+e6+M (5)=icr+ (一)dic+e+无刷直流电机三相绕组星型联接，且中线不引出，三相绕组电流有i。 +ib+i=0 (6)由式 (5)和 (6)可得电机的中性点电压为11=一(。 +6+“)一一(e+e6+e) (7)JJ假定驱动电路中开关管VT 1、VT6导通，即AB两相导通，C相关断此状态下A、B两相电流大小相等，方向相反，C相电流为0所以，由式 (5)可得到e=同理，可求出不同导通状态下对应反电动势表达式，该表达式是关于绕组端电压与中性点电压的方程所以，检测反电动势e的过零点，只要检测绕组端电压。 和绕组中性点电压假设不考虑PWM斩波情况，式 (5)和式 (8)满足如下条件一Z (8)即可式中，为母线电压那么，式 (8)可写成，e=。 一=一v d (10)式(1O)表明，只要检测到相反电动势的过零点时刻，即检测到360。 区间内六个状态中的所有转子位置状态，从而控制功率管的开通与关断与2相等的时刻，就可以确定反电动势的过零点同理，可以确定其他两2反电动势过零点检测方法的无位置传感器控制器设计为了实现对转永磁无刷直流电机的无位置传感器控制，利用构造虚拟中性点的反电动势过零点检测方法，设计一台无位置传感器控制器，其中控制系统主要包括三相桥式逆变电路，功率管驱动电路(IR2130)、DSP主控回路、反电动势检测电路以及其他检测和辅助电路组成给定电压是由可调电位器的电压经过DSP的AD转换来改变PWM波的占空比，实现无级调速，反电动势检测电路测得的三相位置信号经过DSP处理得到6路功率管的驱动信号，再由驱动电路IR2130来依序导通桥式逆变电路中的开关管，从而驱动电机旋转起来439O=0C=啦II+ll+=“王琛，等基于反电动势检测方法的无位置传感器控制器设计21硬件系统设计无位置传感器的控制系统中，电机的三相绕组采用Y型联接，逆变器选三相桥式逆变电路，转子位置检测采用反电动势过零点检测，电机起动过程和电子换相由DSP完成利用DSP强大的数据处理能力来实现PI运算和相关检测，实现高转速稳速闭环控制，且具有过压、过流、欠压等保护功能其中，主要电路如下 (1)主功率逆变电路逆变电路是无刷直流电机进行能量调控的关键通道，采用三相全桥结构 (2)功率管驱动电路功率管驱动电路实现驱动信号的调理和放大，进而驱动功率逆变电路驱动电路在控制系统中是比较核心和关键的部分，通常其性能决定控制系统能否发挥最佳性能和保证系统能够安全工作 (3)DSP最小系统本控制系统中采用TMS320F2808作为整个控制系统的核心，主要作用是运行控制程序，实现相应的控制策略，将产生的PWM斩波信号与检测电路所得到的信号以及各种故障保护信号进行逻辑综合，按照三相六状态运行方式输出相应的控制信号，送往功率驱动电路来驱动功率逆变器和电机 (4)反电动势过零点检测电路由于直接检测到的端电压幅值比较大需要进行分压，根据虚拟中性点构造原理和分压原理计算电阻网络的阻值另外由于端电压和中性点电压在电机调速斩波运行过程中会出现高频干扰，对反电动势过零点的检测造成严重的影响，因此对端电压和中性点电压在进比较器前进行滤波以滤除干扰信号低通滤波部分采用一阶无源低通滤波器为了保证系统稳定运行，滤波器的输出不仅要求准确，而且其相移要小于30。 电角度例如c相端电压u，经过计算则可得到滤波器的幅频响应和相频响应表达式如式 (11)和式 (12)所示A c=?)?r ct a n(等)(12经过滤波器的端电压信号进入电压比较器与滤波后的电机中性点电压比较后输出的信号就是反电动势过零检测信号，通过软件滞后30。 一O t电角度所用的时间即为电机正确换向点除此之外，控制系统硬件电路还包括电源变换电路、电流采集和电流截止负反馈电路、电压采集电路、逻辑互补电路以及隔离电路等，不再具体论述22软件系统设计本系统控制软件采用软件轮询与中断相结合的结构形式，即主程序轮询加中断服务子程序的形式，通过对DSP软件编写完成无位置传感器无刷直流电机启动、换相、中断、电流采样和通信等功能无位置传感器控制系统的大部分功能是由DSP软件来实现的，主要包括以下内容 (1)电机起动无位置传感器无刷直流电机的起动软件采用三段式起动首先，电机施加C+B一相导通逻辑使转子到达确定位置，在此基础上施加能够使电机顺时针旋转的一系列逻辑导通信号(A+B一+A一一c+A一)，使得电机在外同步过程结束时达到额定转速的1015，当能够稳定获取反电动势过零点信号时，经过软件计算延时合适的电角度来捕获电机的正确换向点，从而使电机进入自同步运行状态 (2)反电动势过零点捕捉反电动势过零点检测电路输出三路，信号分别进入DSP2808的CAP 1、CAP 4、CAP3三个捕获口，因此捕捉中断子程序分为三个反电动势检测电路即反电动势过零点引起捕获中断的触发，在此基础上软件通过CPU定时器0延时合适的电角度，此时为电机正确换向点，再根据I，o 6、 8、17口的电平状态进而判断电机功率管的导通逻辑 (3)相位补偿反电动势过零点延时3O。 电角度的时间即为理论上电机的换相时刻，电机实际工作时，由于反电动势检一A+c一一B+C一B44王琛，等基于反电动势检测方法的无位置传感器控制器设计测电路存在低通滤波器会对反电动势信号进行相移，同时还存在控制器其他硬件的延迟，故而从反电动势检测电路输出的信号比真实的信号要滞后一些一般来说，元器件延时时间一般为纳秒级，影响不大，对于元器件延时造成的转子位置误差，可以通过优化电路结构，提高系统的抗干扰能力，尽量选用响应速度快的电子器件等措施加以解决而低通滤波电路产生的相移需要在软件上进行相位补偿，对应于电机的不同的转速，软件所需的延时时间T。 ，如式 (13)所示通过反电动势检测电路得到反电动势信号过零点后，再通过软件延迟T，的时间就可得到该相绕组的正确换相时刻T1=250；lc(30180atan(0000314$Speed)314)(30$Speed)mS (4)转速测量和转速闭环电机转速通过测频法来计算，并用软件来实现电机速度闭环控制，通过PI调节来稳定电机速度速度调节器的输出信号作为占空比信号，而占空比在01之间，需要对速度调节器的输出信号进行限幅因此在软件设计中，只要根据速度调节器输出，向PWM的比较寄存器中输人相应的占空比值即可完成转速的调节 (13)3实验分析与验证为验证采用反电动势过零点检测法的无位置传感器控制系统软硬件设计的准确性，针对某永磁无刷直流电机进行实验分析实验内容主要包括验证反电动势过零点的准确性、电机空载和负载运行 (1)验证反电动势过零点准确性由理论分析得知，获得反电动势波形过零点位置信号，需要检测电机各相绕组的端电压和虚拟中性点电压，而绕组端电压波形含有的斩波信号严重影响反电动势波形，需输入滤波电路进行滤波图1为电机c相绕组端电压在占空比D为1和05时滤波前后波形的比较图2是滤波后C相绕组端电压与模拟中性点电压在占空比D为1和05的波形对比图3是C相绕组端电压与过零比较后所得信号在占空比D为1和05时的波形对比，l一姑嫂后谴谖前(a)占空比D=1(b)占空比D=05图1C相绕组端电压滤波前后波形(a)占空比D=1图2(b)占空比D=05滤波后端电压与模拟中性点电压波形、 一、一一矗鼍J l l广lll越点售哥J(a)占空比D=1图3(b)占空比D=05滤波后端电压与过零比较后信号波形45王琛，等基于反电动势检测方法的无位置传感器控制器设计上图表明，C相绕组端电压信号是含有高次谐波的梯形波，经过低通滤波器后，c相绕组端电压信号基本滤除高频干扰；再经过过零检测电路后输出清晰的方波，c相绕组反电动势过零点清晰、可靠所以，设计的反电动势过零检测电路、滤波电路和比较电路工作正确，能有效地获得电机转子位置信号 (2)电机空载和负载运行为了验证在电机运行过程中功率管换相的正确性，对电机空载和负载时线电压和相电流进行测量图4是电机空载运行时线电压和相电流在占空比D为1和05时波形对比，图5为电机在起动后负载逐渐加到额定负载下，占空比为l和05情况下电机线电压与相电流波形图4和图5表明，线电压换相点清晰可见且换相时刻正确，V、1电电?一一lf17-钱电ff_tl(2n sl格)t(5n sl格)(a)占空比D=1(b)占空比D=05图4电机空载运行时线电压与相电流波形一00?0(L卑库Ij1=，?；If专-ll一1t lt25ns PmJ tl(5i a,B)(a)占空比D=I(b)占空比D=05图5电机负载运行时线电压与相电流波形4结语采用构造虚拟中性点方法设计了一台无位置传感器控制器，包括硬件和软件系统设计，通过驱动电机空载和负载试验，结果表明通过构造的虚拟中性点的方法来实现反电动势过零点检测方式能获得转子位置信息，电机换相准确所研究的内容为进一步研究对转永磁无刷直流电机无位置传感器控制技术提供了依据参考文献I李宏，徐德民，焦振宏一种对转永磁无刷直流电机定转子相对位置检测方法J鱼雷技术，xx (16)38412吴一欣，焦振宏一种改进的检测无刷直流电动机转子位置方法J微特电机，xx (02)14一l93石婷娜，张倩，夏长亮基于UKF算法的无刷直流电机转子位置和速度的估计J天津大学学报，xx (41)3393424GH Jang，J HPark，J HChangPosition Detection and Startup Algorithmo fa Rotorin aSensorless BLDCMotor UtilizingInductance VariationJIEEE Proceeding一Electr i c PowerApplications，xx (2)13714246王磊强王琛，等基于反电动势检测方法的无位置传感器控制器设计D esign ofS ensorl essC ontroller Based onC ounterE lectrom otive Force Detecti onM ethodWA NG ChenL IYan-sheng(Mechanical andElectrica lEngineer i ng Department，X ihnVocationa land Technical College，X ihn710077，China)(Maintena nce Company，Shaanxi ElectricPower Company，Xi710048，China)A bstrac tT his article mainly studiesthe sensorless designof counter rotatingpermanen tmag brushless DC motorOn theb aseof theanalysis ofc ounter electromotiveforce zerocrossing detectioninside andoutside ro torposition，the constructingvirtual neutralpoint torealize theBE MFzero crossingdetection method，to designa sensorless controller，including thedesig nof hardwareand softwaresystem，and havethe motornoload andload experimentsT heexperiments showthat thedesigned controlleris correctand effectiveK eywor dsc ounter rotatingp ermanent