電網(wǎng)絡(luò)分析及綜合課程報(bào)告

1、課程論文基于反電動(dòng)勢(shì)3次諧波檢測(cè)法的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制中位置檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)課程名稱 電網(wǎng)絡(luò)分析與綜合學(xué) 院 機(jī)電工程與自動(dòng)化專 業(yè) 電氣工程學(xué) 號(hào) 1672XXXX學(xué)生姓名 XXX指導(dǎo)教師 XXX三次諧波檢測(cè)法的提出三次諧波檢測(cè)法是一種無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法，這種方法能使無(wú)刷直流電機(jī)在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持較大的每安培轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)和較高的效率。這種方法特別適合于反電動(dòng)勢(shì)為梯形波的無(wú)刷直流電機(jī)（即方波無(wú)刷直流電機(jī)），圖1所示為方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的理想氣隙分布圖，從圖中可以看出，方波無(wú)刷直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)為典型的梯形波，它包含反電動(dòng)勢(shì)基波及一系列的高次諧波。通過(guò)對(duì)電樞三相相電壓的簡(jiǎn)單疊加，

2、反電動(dòng)勢(shì)的基波分量以及其它一些高次諧波分量由于相位互差120°而相互抵消，而三次諧波分量由于同相而相互疊加，可以從中提取三次諧波分量。在任何轉(zhuǎn)速及負(fù)載下，三次諧波分量與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)總是保持一個(gè)恒定的相位差，并且不受逆變器變流干擾的影響。由于這些特性，使得用三次諧波法來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置成為一種非常有效的方法。圖1 方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的理想氣隙分布圖當(dāng)然，這種檢測(cè)方法需要用到電機(jī)繞組的中性線（即四線制電機(jī)），以獲得電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的三次諧波。盡管從電機(jī)繞組中引出中性線不會(huì)明顯增加成本或加大整個(gè)系統(tǒng)的體積。但對(duì)現(xiàn)有的大部分三線制電機(jī)和一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，電機(jī)繞組的中性線并沒(méi)有引出，這就限制了這種方法

3、的使用。三次諧波檢測(cè)法適用于Y連接、三相對(duì)稱、氣隙磁密為梯形波的永磁無(wú)刷電機(jī)。對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)梯形頂寬位120° 的梯形波，由傅立葉分解可得各次諧波所占的比例如表1所示。表1 基波與各次諧波的百分比諧波3579111315占基波的百分?jǐn)?shù)2222210.60.9定子繞組三相電壓的矢量和將消除所有正序分量及負(fù)序分量（基波分量及所有特征諧波分量如5次、7次、11次等），剩下零序分量，如3次、9次、13次等。由于與9次、13次等諧波分量相比三次諧波分量占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，所以三相電壓的矢量和主要是由三次諧波信號(hào)決定。無(wú)論負(fù)載和速度如何變化，由氣隙磁通產(chǎn)生的反電勢(shì)三次諧波分量與基波分量都保持不變的相位

4、差，所以對(duì)三次諧波進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，可以用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁通位置和控制逆變器的通斷，這種方法對(duì)濾波器延時(shí)不敏感，可以在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得良好的運(yùn)行性能。由于三次諧波在很低的轉(zhuǎn)速時(shí)就可以檢測(cè)到，所以電機(jī)具有良好的起動(dòng)性能。對(duì)于四線制電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，三次諧波信號(hào)可以從電機(jī)中性線與星形電阻網(wǎng)絡(luò)之間獲得。對(duì)于三線制電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，三次諧波信號(hào)可以從直流母線電壓中點(diǎn)與星形電阻網(wǎng)絡(luò)之間獲得，只是獲得的三次諧波信號(hào)中還疊加了一個(gè)由換相引起的交流分量，其頻率與三次諧波頻率相同。對(duì)于采用三線制的電機(jī)，當(dāng)PWM波加在斬波器上時(shí)對(duì)三次諧波位置信號(hào)的影響也不大；當(dāng)PWM波加在逆變器上時(shí)對(duì)三次諧波位置信號(hào)的干擾較大。這是因

5、為通過(guò)三線制獲得三次諧波時(shí)引入了交流分量的緣故。三次諧波檢測(cè)法的實(shí)現(xiàn)原理一般來(lái)說(shuō)，三次諧波信號(hào)的提取需要電機(jī)的中性線，以便三次諧波信號(hào)形成回路。但是在一些情況下電機(jī)的中性線很難獲得。目前存在兩種三次諧波檢測(cè)法，一種需要電機(jī)的中性線，一種不需要電機(jī)的中性線。本文介紹不需要使用電機(jī)中性線的三次諧波檢測(cè)法。圖2所示的是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)三相逆變電路。外接對(duì)稱星型電阻網(wǎng)絡(luò)，并且引進(jìn)直流電源參考點(diǎn)M點(diǎn)和對(duì)稱電阻電路中性點(diǎn)O點(diǎn)。通過(guò)檢測(cè)O點(diǎn)和M點(diǎn)之間的電壓可以獲得含有三次諧波信號(hào)的電壓，然后經(jīng)過(guò)位置檢測(cè)電路，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行帶通濾波可以獲得反電勢(shì)的三次諧波，經(jīng)過(guò)處理就能得到電動(dòng)機(jī)的換相時(shí)刻。圖2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)三

6、相逆變電路圖3所示的是三次諧波法的電路框圖，電動(dòng)機(jī)的端電壓首先通過(guò)電阻分壓，然后由三相對(duì)稱星型電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生模擬中性點(diǎn)電壓，該電壓信號(hào)通過(guò)濾波電路濾波后，進(jìn)入比較器，與M的參考電壓比較后，得到三次諧波過(guò)零信號(hào)。圖3 反電勢(shì)三次諧波法過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路圖模擬中性點(diǎn)的電壓中包含PWM斬波脈沖信號(hào)分壓，一個(gè)三次諧波分量和所有九次及其以上3的奇數(shù)倍次諧波分量。由于九次、及其3的奇數(shù)倍次諧波分量的幅值接近于零，對(duì)三次諧波影響很小，可以忽略。經(jīng)過(guò)帶通濾波電路濾波后，濾去PWM斬波產(chǎn)生的高頻分量、直流分量以及反電勢(shì)九次諧波及3的奇數(shù)倍次諧波分量，只剩下三次諧波分量，本文以直流電源負(fù)電壓為參考電平，與三次諧波比較即

7、可得出反電勢(shì)三次諧波的過(guò)零信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)由于帶通濾波法對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)沒(méi)有限制，但需要濾波器對(duì)虛擬中性點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行濾波，去除操作引起的高頻信號(hào)干擾，從中提取三次諧波過(guò)零信號(hào)。濾波器作為三次諧波過(guò)零檢測(cè)電路的重要組成部分，其電路的設(shè)計(jì)以及參數(shù)的選擇對(duì)檢測(cè)到的三次諧波信號(hào)效果影響很大，決定是否可以根據(jù)得到的過(guò)零信號(hào)來(lái)獲得準(zhǔn)確的換相信號(hào)，因此濾波電路的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下三個(gè)條件：（1）消除虛擬中性點(diǎn)電壓信號(hào)中的直流分量，適量減小其中的交流分量，以免損害器件；（2）消除虛擬中性點(diǎn)電壓信號(hào)中由PWM操作引起的高頻信號(hào)的干擾；（3）由于濾波信號(hào)的相位滯后角度和輸入信號(hào)的頻率有關(guān)，頻率又和

8、轉(zhuǎn)速成正比，所以在電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)，濾波后的三次諧波信號(hào)的相位延遲角度應(yīng)被控制在適當(dāng)?shù)姆秶?。下面將?duì)本文所使用的RC無(wú)源帶通濾波電路進(jìn)行理論設(shè)計(jì)。電路設(shè)計(jì)本文的控制系統(tǒng)采用無(wú)源濾波器構(gòu)成三次諧波過(guò)零檢測(cè)電路，如圖4所示。該電路是由分壓、帶通濾波、深度濾波、過(guò)零比較和光電隔離四個(gè)部分組成。中性點(diǎn)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻分壓，再經(jīng)過(guò)無(wú)源濾波電路進(jìn)行濾波后，與零電位進(jìn)行比較，可獲得三次諧波過(guò)零信號(hào)。圖4 三次諧波過(guò)零檢測(cè)電路圖帶通濾波部分包括低通濾波電路和高通濾波電路，分別如圖5和圖6所示，圖一中電阻R0與R1構(gòu)成分壓電路，同時(shí)與電容C1功能構(gòu)成一階低通濾波回路。圖5 低通濾波回路 圖6 高通濾波

9、回路對(duì)圖5所示電路列出節(jié)點(diǎn)電壓方程：整理后可得到電路的傳遞函數(shù)：令，函數(shù)從s域轉(zhuǎn)換到復(fù)頻域進(jìn)行分析根據(jù)上式可得低通濾波電路的增益和移相表達(dá)式，如下式：式中，為角頻率，且。技術(shù)要求包括分壓比例、帶通邊界頻率增益、阻帶邊界頻率增益和通帶頻率移相角度。根據(jù)上式給出的技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以選擇一組參數(shù)：， ，。同理，可以對(duì)高通濾波部分進(jìn)行分析，得到對(duì)應(yīng)圖6高通濾波電路增益和移相表達(dá)式：由上式可知：（1），；（2）隨著的增大，增大，趨近于1，減小并趨向于。高通濾波這部分，主要是濾去入信號(hào)中包含的直流分量，設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮減小對(duì)前面濾波結(jié)果的影響，根據(jù)這一特點(diǎn)，幅頻、相頻特性的技術(shù)要求： 綜合以上，通過(guò)計(jì)

10、算選出一組參數(shù)為：，。由于濾波的主要任務(wù)是濾去虛擬中性點(diǎn)中的PWM斬波的高頻電壓，但是在低通濾波電路以后，從參數(shù)的分析可知，對(duì)高頻5KHz信號(hào)，濾波器的增益與對(duì)300Hz濾波增益比大概在1/20左右，看到的濾波效果不是很明顯。所以在帶通濾波電路后又加入了一個(gè)由R3和C3構(gòu)成的深度濾波環(huán)節(jié)。由于經(jīng)過(guò)低通濾波和隔直處理以后，得到的三次諧波信號(hào)的幅值不超過(guò)0.1V，因此深度濾波電路只應(yīng)去除高頻干擾信號(hào)，而不對(duì)其他方面的產(chǎn)生影響。對(duì)該級(jí)電路的技術(shù)要求下式： 通過(guò)計(jì)算，選取一組參數(shù)：，為了防止突變的電壓對(duì)比較器產(chǎn)生影響，保證電路的穩(wěn)定性和可靠性，加入了起電壓鉗位作用的二極管D4，光耦將強(qiáng)電電路與控制電路

11、有效的隔離，增加了系統(tǒng)的安全性。位置檢測(cè)電路仿真為了可以更好的觀察濾波器的效果，可運(yùn)用MATLAB中的SIMULINK對(duì)位置檢測(cè)電路中的濾波部分進(jìn)行仿真，仿真模塊結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。圖7 濾波器仿真結(jié)構(gòu)圖下面將討論P(yáng)WM調(diào)制頻率為5KHz，脈沖斬波信號(hào)幅值為150V的情況下，斬波脈沖信號(hào)占空比不同時(shí)，濾波器的仿真結(jié)果。斬波脈沖信號(hào)占空比為（1）三次諧波頻率為300Hz，幅值為10.7V，濾波器的帶通濾波仿真圖結(jié)果：圖8 帶通濾波后仿真波形下圖9中所示的是，三次諧波經(jīng)過(guò)深度濾波后的過(guò)零檢測(cè)波形，有過(guò)零發(fā)生時(shí)，比較器發(fā)生過(guò)零比較，產(chǎn)生一個(gè)跳變信號(hào)，圖10中為濾波前和濾波后的對(duì)比波形，可以看出位置電路

12、產(chǎn)生了接近的相移。圖9 深度濾波后三次諧波過(guò)零信號(hào)仿真圖圖10 三次諧波移相仿真圖（2）三次諧波頻率為90Hz，幅值為2.64V，濾波器的帶通濾波仿真圖結(jié)果：圖11帶通濾波后仿真波形加入深度濾波電路后所得的三次諧波過(guò)零檢測(cè)的仿真波形如圖12：圖12 深度濾波后三次諧波過(guò)零信號(hào)仿真圖由于三次諧波幅值較低，濾波器的設(shè)計(jì)不能完全濾去高頻影響，仔細(xì)觀察圖中的過(guò)零信號(hào)仿真圖,可以看到有假過(guò)零現(xiàn)象發(fā)生。圖13 三次諧波過(guò)零信號(hào)中的假過(guò)零現(xiàn)象（3）三次諧波頻率為30Hz，幅值為0.88V，經(jīng)過(guò)濾波和過(guò)零比較器后仿真圖結(jié)果如圖14所示。圖中較粗部分表明有假過(guò)零點(diǎn)出現(xiàn)。圖14三次諧波過(guò)零檢測(cè)仿真波形斬波脈沖信號(hào)

13、占空比為濾波器的帶通濾波和深度濾波仿真結(jié)果分別如15和圖16：圖15 帶通濾波后仿真波形圖16 三次諧波過(guò)零檢測(cè)仿真波形斬波脈沖信號(hào)占空比為濾波器的帶通濾波和深度濾波仿真結(jié)果分別如圖17和圖18：圖17 帶通濾波后仿真波形圖18 三次諧波過(guò)零檢測(cè)仿真波形注：以上圖中出現(xiàn)的粗線部分表示有假過(guò)零出現(xiàn)。仿真結(jié)果分析本文首先在PWM調(diào)制頻率為5KHz，PWM占空比為10%的情況下，分析了三次諧波分別為300Hz和90Hz時(shí)，三次諧波經(jīng)過(guò)帶通濾波后的仿真波形以及深度濾波和過(guò)零比較后的仿真波形，同時(shí)給出了轉(zhuǎn)速為30Hz時(shí)三次諧波的過(guò)零信號(hào)。通過(guò)比較可知，在占空比相等的情況下，轉(zhuǎn)速越低，斬波對(duì)三次諧波的影響越大，深度濾波后的三次諧波含有假