无刷直流电动机基于通电相位和通电角度最优化的PWM控制

1、无刷直流电动机基于通电相位和通电角度最优化的PWM控制电气传动2006年第36卷第2期无刷直流电动机基于通电相位和通电角度最优化的PWM控制张忠银杨向宇华南理工大学摘要:研究了一种无位置传感器无刷直流电动机基于通电相位和通电角度最优化的PWM控制方法,该控制方法采用反电势过零检测和预定位起动方式,同时在PWM调制时通电相位和通电角度分别选用0°30°,120°180°之间的合适值,这样不仅可以提高无刷直流电动机的输出转矩和转速,而且可以提高电机的工作效率。关键词:无刷直流电动机通电相位通电角度PWMBrushlessDCMotorPWMControlBa

2、sedonOptimizingPhaseAngleandConductionAngleZhangZhongyinYangXiangyuAbstract:ThecontrolmethodforsensorlessbrushlessDCmotorbyPWMoptimizingphaseangleandconductionangleispresentedinthispaper.Theback-EMFcommunicationmethodandrotorpre-settingmethodareusedinthecontrolmethod.InPWMcontrolitgivesphaseangleana

3、daptivevaluebetween0°and30°,andconductionangleanadaptivevaluebetween120°and180°.SoitcannotonlyincreasethetorqueandspeedtheofbrushlessDCmotor,butalsoimprovetheefficiency.Keywords:brushlessDCmotorphaseangleconductionanglePWM1引言无刷直流电动机具有调速性能好、结构简单、运行可靠等优点。为实现无刷直流电动机的速度和位置控制,需要知道转子的速

4、度和位置信息,转子位置信号通常由一个光学或霍尔位置传感器来检测。但随着电动机尺寸的进一步缩小,使用霍尔传感器的弊端日益明显,增加一个速度传感器,不仅会增加电机的体积和成本,而且霍尔元件对温度变化以及工作环境中的各种噪声比较敏感。因而在小型轻载场合,使用无位置传感器的无刷直流电动机已成为今后的发展趋势。本文采用反电势过零检测方法检测电机转子位置,用预定位方式起动。在对电机进行PWM调制时通电相位和通电角度分别变为0°30°,120°180°之间的合适值,这样既提高了无刷直流电动机的输出转矩和转速,又提高了电机的工作效率。2无位置传感器无刷直流电动机控制策略

5、分析2.1无位置传感器无刷直流电动机的位置检测无刷直流电动机的位置检测方法主要有:反电势过零检测法,端电压积分法,电流检测法,3次谐波电压检测法,卡尔曼滤波法,状态观测器法及根据开路相二极管开关状态的位置检测法等。本文采用反电势过零检测方法检测电机转子位置。其原理是当反电势瞬时过零时,开路相的端电压等于三相的中点电压,检测出该时刻并经过30°延迟后作为功率管的驱动信号。图1为无位置传感器无刷直流电动机调速系统框图。电动机本体为三相一对极结构,定子电枢绕组为三相星形桥式接法,电机稳定运行时反电势波形为梯形波。无刷直流电动机的三相端电压方程为电气传动2006年第36卷第2期无刷直流电动机

6、基于通电相位和通电角度最优化的PWM控制绕组通以持续的电流,经过一定的时间后转子磁极就会固定在该两相绕组所产生磁场的轴线上。根据此确定位置,就能得出三相桥式逆变电路各相导通次序,使无刷直流电动机正常起动。预定位起动方式需要一定延时来等待电动机轴停止振荡,该延迟时间可由下面的方法确定。由电机转子动力学方程图1无位置传感器无刷直流电动机调速系统框图aVa=iaR+Ldt+Ea+VnbVb=ibR+Ldt+Eb+VncVc=icR+Ldt+Ec+Vn(1)(2)(3)2Jdt=󰀁Ti式中:J,Ti分别为常数值。可得电动机转完第一转所用时间为t=i(7)(8)式中:Va,Vb,Vc分别

7、为a,b,c三相端电压;ia,ib,ic分别为a,b,c三相电流;Ea,Eb,Ec分别为a,b,c三相反电势;R为绕组电阻;L为绕组电感;Vn为中点电压。又因为电机绕组采用星形连接,故ia+ib+ic=0,将前面3个端电压方程相加并代入此电流方程得Vn=3(Va+Vb+Vc)-(Ea+Eb+Ec)(4)由反电势过零检测原理,假设此时c相绕组电流为零,反电势Ec也为零,则Vc=Vn式(4)可变为(Va+Vb+Vc)(6)3由式(5),式(6)可以确定c相的换相点。其它Vn=a,b相的换相点用同样的方法确定。绕组相电流可以通过检测电阻Rs的电流得出,然后根据换相关系确定各相电流的大小和幅值。2.2

8、无位置传感器无刷直流电动机的起动由于无刷直流电动机在静止时电动势为零,用电枢绕组中的反电势不能间接得到转子的位置信号,为保证电机运行,必须采用其它方法起动。常用的无刷直流电动机起动方法有外同步起动和预定位起动。无刷直流电动机外同步起动时需要给电机施加一由低频到高频不断加速的外同步切换信号,使电机以外同步方式从静止开始加速,直到电机被加速到足够的速度,在一定条件下再切换到自控式状态。这种方法实现电路较为复杂。预定位起动方式则是给预先设定的两相电枢(5)3无刷直流电动机通电相位和通电角度控制以图1所示三相星形连接直流无刷电机为例,若采用120°PWM方式,即每隔60°(电角度)

9、换相一次,每个功率管的通电角度为120°,各功率管的导通顺序为G1G2,G2G3,G3G4,G4G5,G5G6,G6G1,。当功率管G1和G2导通时,电流从G1流经a相绕组,再经过c相绕组和G2,最后回到电源。以流入绕组电流产生的转矩为正方向,可得合成转矩为3T0。其余各功率管换相导通时,合成转矩大小仍为3T0,只是方向依次旋转60°。3.1120°+2×30°PWM方式如图2所示,无刷直流电动机在120°通电输出不足的情况下,采用通电相位提前30°,通电角度120°+2×30°PWM方式。各功

10、率管导通顺序为G1G2G3,G2G3G4,G3G4G5,G4G5G6,G5G6G1,G6G1G2,。当a相通电相位提前30°,通电角度扩大为180°亦即G5G6G1导通时,电流分别经过G1,a相绕组,G5和c相绕组(此时a,c相绕组并联),再经过b相和G6后流回电源。图2120°+2×30°PWM方式无刷直流电动机与直流电机近似等效,转矩方程为T=KT󰀁I,若忽略电枢反应,则󰀁为常数,又因为a,c相绕组并联,故a,c相绕组的电流分别是b无刷直流电动机基于通电相位和通电角度最优化的PWM控制电气传动2006年第36

11、卷第2期相的1/2,可求得合成转矩大小为1.5T0,方向与a相成60°夹角。其余各功率管换相导通时,合成转矩大小仍为1.5T0,方向依次旋转60°。120°+2×30°PWM方式时总电流I即b相电流为120°PWM方式时的4/3倍,转矩为120°PWM方式时的23/3倍。无刷直流电机的绕组电阻和电感都很小,故无刷直流电机相对120°PWM方式时的输出功率和转速也会增加。3.2120°+2󰀁PWM方式为了使无刷直流电机有更高的转矩、转速和输出功率,可采用通电相位提前󰀁,通电角

12、度为120°+2󰀁PWM方式,如图3所示。采用这种方式与120°+2×30°PWM方式相比,可以降低开关损耗和开关噪音,同时更好地避免出现同一桥臂2个功率管同时导通,发生短路的情况。效率为83%,电机相电流为91A。图4直流电动机转矩速度及相电流测试图5无刷直流电动机通电角度效率特性(负载转矩为3Nm)图3120°+2󰀁PWM方式5结论通过以上对无位置传感器的无刷直流电动机在PWM调制时通电相位和通电角度最优化控制,无刷直流电动机控制系统不仅具有较好的控制性能和动态特性,而且电机的输出转矩、转速和工作效率都有所提

13、高。这对于电机调速系统要求输出最大如车辆停车或者极低速行驶等情况是有意义的。参考文献出版社,19964王晓明,王玲.电动机的DSP控制TI公司DSP应用.北京:北京航空航天大学出版社,20045SatoshiOgasawara,HirofumiAkagi.AnApproachtoPositionSensorlessDriveforBrushlessDCMotorC.IEEE-IASConf.Rec,1990:443447收稿日期:2005-03-14修改稿日期:2005-11-16IEEE这里的󰀁可以根据电机的具体参数和性能指标,进行试验并选出最合适的值。但当通电角度接近180

14、°(如170°)时,转子位置检测误差的影响比120°,160°通电角度时大,故这种情况下必须注意转子位置检测精度。4实验结果试验电机参数:额定电压13.5V,绕组电阻13m󰀁,绕组电感65󰀁H,反电势3.35V,匝数为25匝。通过DSP芯片对该电机分别实现120°+2×30°+2󰀁PWM方式,120°PWM方式和120°PWM方式控制,实验结果如图4和图5所示。由图4可知,采用120°+2×30°PWM方式和120°+2󰀁PWM方式