节能空调用无刷直流电机的无位置传感器控制方法研究论文电子版下载.doc

节能空调用无刷直流电机的无位置传感器控制方法研究论文电子版下载 工业自DOI103969jissn1009-9492xx07015节能空调用无刷直流电机的无位置传感器控制方法文娟，林清华(1广东省节能监察中心，广东广州I510030；2广东电网阳江供电局，广东阳江529500)摘要介绍了节能空调用无刷直流电机的原理及数学模型，提出了基于符号检测的反电动势过零点检测方法，设计了基于dsPIC的无位置传感器控制系统，并给出了节能空调用无刷直流电机控制系统软、硬件结构及实现方法。 关键词节能空调；无刷直流电机；无位置传感器控制；dsPICTM33A10099492fxx)07004704Sensorless ControlM ethodof BrushlessDC Motor forEnergy-E fi cientAir-Conditioner WENJuan，LIN Qinghua(1Guangdong ProvinceEnergy Conservation&Supervision Center，Guangzhou510030，China；2Yangjiang PowerSupply Bureauof GuangdongPower Grid，Yangjiang529500，China)Abstract Thispaper introducedthe workingprinciple andthe mathematicalmodel ofBLDC motorused inan energy-e fi cientair-conditioner，presented anew rotorposition detectingmethod anddesigned asensorless controlsystem basedon dsPICThe softwareand hardwarearchitecture andimplementation of the controlsystem areprovided aswel1Key wordsenergye fi cientAC；BLDC motor；sensorless control；dsPIC0引言目前，传统空调压缩机的驱动电机多为单相异步电动机或直流电机，由于异步电动机转差损耗以及直流电机电刷的存在，导致这两种电机在工程应用上产生故障率高、使用寿命低、能量损耗大等劣势，无法满足国家节能减排的政策需求。 新型的节能空调多采用永磁直流无刷电机作为驱动电机，因为无刷直流电机既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便的优点，又具有直流电机的运行效率高、无励磁损耗、调速性能好的特点。 直流无刷电机作为空调压缩机的驱动电机，克服了传统异步电机效率与功率因数低、运行噪声大的缺点，且不受电源频率限制，又可减小压缩机的体积，因此具有良好的市场应用前景。 1无刷直流电机的工作原理及数学模型11无刷直流电机的工作原理对于节能空调用的无刷直流电机，其绕组一般为三相Y联结，并采用全桥驱动，如图1所示。 电磁转矩是由电机内部的转子磁场与定子磁场相互作用而产生的，转子磁场跟随定子磁场旋转。 控制电路根据当前转子的位置信息控制功率开关管的通断，使电机三相绕组依次两两通电，图1无刷直流电机驱动方式产生六个步进磁场，驱动转子不断旋转，从而起到电子换向的作用。 这种导通方式称为六步换相法，每一步(区间)对应的理想反电动势以及开关管的导通序号，如图2所示。 12无刷直流电机的数学模型为简化分析，先作如下假设1 (1)三相绕组完全对称，定子电流、转子磁场分布皆对称；xx0531L L自动化区间A相B相C相导通的开关管 (2)忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； (3)忽略铁芯饱和，不计涡流和磁滞损耗。 由于电机三相对称且没有中线，绕组自感和互感均为常数，故定子的电压方程可表示为=喜虽呈I+pL M0L I+匡 (1)式 (1)中，u为相电压，i为相电流，e为相反电动势，R为绕组电阻，为绕组的自感常数，为绕组的互感常数，P为微分算子。 在理想的情况下，反电动势为梯形波，故在一个电周期内，A相的反电动势可以表示为一6EoJt5E耵6Eogt11E o1T j一 (2)1T2rr式 (2)中，E为反电动势的幅值，tO为转子电角速度。 其余两相的反电动势与A相分别相差120。 和240。 电角度。 可以看出，e的大小与转速成正比，并有e= (3)无刷直流电机定子电流与转子永磁体的磁场相互作用，产生电磁转矩，其表达式为=(e+e ib+e) (4)机械运动方程为To-，警 (5)式 (5)中，为电磁转矩，孔为负载转矩，B为阻尼系数，tO为转子机械角速度；l，为转动惯量。 2关键技术21反电势过零法检测转子位置的实现转子位置信号是无刷直流电机正常运行所必需的，传统的方法是通过在电机上安装位置传感器来获得转子的位置信息。 但是作为节能空调的压缩电机，它的环境是高温且密封的，位置传感器安装困难，并且强腐蚀性的制冷剂会带来传感器损害失效的风险，因此寻求无位置传感器的控制技术。 常用的转子位置检测方法有定子绕组电感法、磁链估计法、状态观测器法和反电势法等等【6】。 前三种方法需要庞大的实时计算，实现成本较高；反电动势法是迄今为止无刷直流电机无传感器控制最成熟也最具有实用价值的方法，具体的实现方式有反电动势过零点检测法、三次谐波法、续流二极管法等。 下面提出一种利用端电压实现的反电势过零点检测方法。 在六步换相驱动方式下，任何时刻都只有两相绕组通电，另一相悬空。 由图2可见，悬空相的反电势过零点超前换相点30。 电角度。 因此只要检测出悬空相反电势的过零点，再延时30o电角度，即到达换相时刻。 以区间1为例，此时电流从A相绕组流人，由B相绕组流出，c相悬空。 此时的电机等效电路如图3所示。 根据等效电路，有VA=Ri+L dfi+EA+N VB=-RiLddi+E+ (6)=c+U式 (6)中，、为三相端电压，E、为三相反电动势，u为中性点电势，尺、L、分别为相等效电阻、等效电感、电流。 反电势为梯形波，在区间1有E+E=0，将 (7)前两式相加，可得TVA+VB图3区间1的电机等效电路 (7)牡胡因此，C相反电势的表达式为一 (8)二由 (8)可见，C相反电势的表达式各项均为三相端电压，均可直接测量。 要检测E过零，只需检测，一0的瞬间即可。 由于在本区间内，E为下降沿穿越零点，故只需检测E从正到负的跳变即可。 因此，当三相端电压的关系满足，即2一甭正赢固用Tierl，将调用数值陌以2，减去延时写入Timer2启动T2，等待中断图6无传感器运行流程图4实验与结论采用本文所述的控制方法搭建节能空调用无刷直流电机控制系统，电机为4极，额定电压为AC220V，额定功率为lkW，额定转速为6500rmin。 图7给出了经转子位置检测电路分压后的相电压波形(以地为参考电压，即端电压)。 可以看出，电机的相电压为明显的梯形波，噪声含量较少，使得通过端电压检测反电势过零点易于实现，保证了换相的顺利进行。 同时，该波形平滑规律、区分度高，表明电机正处于平稳运行状态。 实验表明，采用本文中的控制方法和软硬件系统，能有效检测转子位置，实现无位置传感器控制，对电机实现平滑起动和调速运行控制。 采用无刷直流电机作为节能空调的压缩电机，效率比普通交流电机10左右，而且运行平稳、调速响应快、调速范围宽，同时还降低了噪声，增加了人体舒适度，可满足节能空调系统设计的预期目标，有助于推动空调领域的节能工作。 图7分压后的相电压波形图(以地为参考电压)参考文献1程琼，陈红兵，永磁无刷直流电机在变频空调压缩机中的应用J湖北工业大学学报，xx，20 (1)41-432郭庆鼎，赵希梅直流无刷电动机原理与技术应用M北京中国电力出版社，xx3韩涛基于DSP的电动汽车用电机控制系统的研究D西安西北工业大学，xx4王成元，夏加宽，杨俊友，等电机现代控制技术M北京机械工业出版社，xx5吴雪梅基于DSP的无刷直流电机控制系统研究与设计D西安西北工业大学，xx6邹利平，杨向宇，曹江华无刷直流电动机无传感器转子位置估计方法J微电机，xx，39 (1)182017TeaHyung Kin，Mehrdad EhsaniSensorless ControloftheBLDC MotorsFrom near-Zero toHigh SpeedlJ JIEEE Transactionson PowerElectronics，xx，19 (6)1635164518j SOgasawara，HAkagAn Approachto PositionSensorless Drivefo