脈沖注入法的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置

基于脈沖注入法實(shí)現(xiàn)的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)于位置檢測(cè)摘要：本文提出了一種采用脈沖注入來檢測(cè)無刷直流電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子位置的方法?；诜椒ㄒ来蜗蚨ㄗ永@組注入一系列的脈沖，通過脈沖電流的變化對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行估算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法不但具有較高的位置檢測(cè)準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)電機(jī)的參數(shù)依賴性低，可以省去電機(jī)內(nèi)部的檢測(cè)元件，又可以應(yīng)用到其它電機(jī)。關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置脈沖注入識(shí)別AbstractThispaperpresentsamethodtodetecttherotorpositionofPermanentMagnetmotorsatstandstillbyusingasuitablesequenceofvoltagepulses.Basedonthismethod，asuitablesequenceofvoltagepulsesisappliedtothestatorwindings.Wecanestimatethemagnetspositionbythecurrentvariationofthepulses.Theobtainedresultsshowthatthismethodisnotonlyefficientbutalsoneedbitofmotorparameters，itcanomitmotorinternalexaminationpartsandmaybeusedonothertypeofmotors.Keywords:BLDCMRotorpositionPulsesinjectionRecognition負(fù)相電流時(shí)正相電流時(shí)1B'負(fù)相電流時(shí)正相電流時(shí)1B'圖1基本原理以A相為例，其內(nèi)部磁場(chǎng)(甲A)由永磁體PM的磁場(chǎng)(中)和定子電流磁場(chǎng)(中)兩個(gè)效果疊加的。*"&B'近年來，由于無位置傳感器無刷直流電機(jī)(BLDCM)具有調(diào)速特性好、無換向火花、無無線電干擾、效率高、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用越來越廣泛。檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置是無刷直流電機(jī)研究的一個(gè)重要課題。轉(zhuǎn)子位置的不確定，將直接導(dǎo)致電機(jī)起動(dòng)失敗或短暫反轉(zhuǎn)。目前，無刷直流電機(jī)的起動(dòng)方法有硬件起動(dòng)和軟件起動(dòng)。但是硬件起動(dòng)方式的最大缺點(diǎn)就是附加的起動(dòng)電路加大了電機(jī)的尺寸，而且對(duì)電機(jī)的可靠性也有所降低。軟件起動(dòng)方式中的預(yù)定位起動(dòng)，需要先把轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)到某一特定位置，停止擺動(dòng)后再對(duì)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)【1】。由于轉(zhuǎn)子的慣性，會(huì)使驅(qū)動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)。本文提出了一種在轉(zhuǎn)子靜止時(shí)檢測(cè)電機(jī)的方法。永磁電機(jī)中轉(zhuǎn)子的位置不同，電機(jī)的磁場(chǎng)分布不同，對(duì)定子中各相電流的影響也不同⑵，作者就是利用定子中電流的變化，通過向定子中發(fā)送一系列的電流脈沖，根據(jù)測(cè)量得到的電流峰值來判斷轉(zhuǎn)子的位置。本文簡(jiǎn)要介紹了其工作原理，對(duì)在靜止?fàn)顟B(tài)下檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方法的可靠性和可行性。該方法不僅適用于無刷直流電機(jī)，對(duì)永磁同步電機(jī)以及其它永磁電機(jī)也有效，并且對(duì)電機(jī)的參數(shù)沒有特殊要求?；驹碛来烹姍C(jī)的示意圖如圖1所示：9=9+中.(1)如果相電流再高一些；磁路將飽和，并且繞組的自感應(yīng)系數(shù)變小。如果改變電流的方向，則總磁通就變?yōu)椋?=9一9.(2)這樣，磁通將退出飽和，繞組的自感應(yīng)系數(shù)將變高。正電壓脈沖作用，數(shù)字控制器通過電流傳感器不斷對(duì)電流進(jìn)行A/D變換，當(dāng)檢測(cè)脈沖結(jié)束時(shí)，得到一個(gè)峰值電流⑶。然后再發(fā)出一個(gè)負(fù)電壓脈沖，檢測(cè)得到負(fù)的相電流峰值。比較兩個(gè)被放大后的電流值可以得到一個(gè)電流差△i=i-.(3)圖1狀態(tài)下各相的測(cè)試電流示意圖如下所示，由于B，C兩相的位置相對(duì)與磁鐵中心軸對(duì)稱，所以它們的電流差應(yīng)該大小相等。由于A相此時(shí)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與磁鐵剛好一致正反電流所受到磁場(chǎng)的影響也是最大的，產(chǎn)生的電流差理論上也是最大的。

△i=i-iAA1A2△i=i-iBB1B2△i=i-i匕,CeC1C2、r⑷同理，在其它相上，可以得到:1狀態(tài)下的電流差示意綜合分析所有三相的電流差⑵，可以檢測(cè)到轉(zhuǎn)子的位置。設(shè)電流差值隨著轉(zhuǎn)子位置連續(xù)的變化【4】(設(shè)為正弦地變化如圖3所示)，根據(jù)它們的組合可以測(cè)定轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置。同理，在其它相上，可以得到:1狀態(tài)下的電流差示意系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成本系統(tǒng)是基于TI公司的DSP320LF2407A設(shè)計(jì)的。如前所述，可按表1的順序給出電流平。這樣可檢測(cè)得到的是某一相的正相電流，然后加反向電流使電流強(qiáng)制為0，再給VT3，VT4，VT5高電平，得到這一相負(fù)電流，由式(4)得到電流差。同理，可以得

到其它相的電流差。【407PWM^元比較寄?L存器A/D轉(zhuǎn)到其它相的電流差?！?07PWM^元比較寄?L存器A/D轉(zhuǎn)』換模塊"圖4檢測(cè)電路本實(shí)驗(yàn)用到DSP的兩個(gè)模塊。首先由時(shí)事件管理模塊A(EVA)發(fā)出PWM信號(hào)，從電機(jī)出來的電流信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換塊(ADC)，采到電流差值后，與已有值比較判斷轉(zhuǎn)子位置。實(shí)驗(yàn)方法本實(shí)驗(yàn)采用的是雅合全公司生產(chǎn)的70ZWN24-30型號(hào)電機(jī)，它是一有內(nèi)部傳感器的無刷直流電機(jī)，因此電機(jī)轉(zhuǎn)子的精確位置可以由傳感器獲得，進(jìn)而可以和本實(shí)驗(yàn)所得值進(jìn)行比較。其參數(shù)如表2：表2電機(jī)參數(shù)相數(shù)極數(shù)額定電壓(V)額定電流(A)額定功率(W)額定轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)34241.9302450傳感器在電機(jī)各相上電流采樣時(shí)的增益和偏移誤差也是不同的。為了避免它帶來的問題，作者在直流總線上安裝一個(gè)分流電阻(見圖4)。這樣就具有相同的增益誤差并且沒有偏移誤差，得到的電流差更精確。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：工作中的六個(gè)晶閘管中的某個(gè)直流鏈路電流精確的等于相電流中的一個(gè)或它的相反值⑸。根據(jù)表1，可以得到：i=k-i+ih'1i=k-i+i這里k和i分別是增益和電流偏移誤差，其中k>0。計(jì)算電流差△\皿，可得：△i=i-i=k-(i-i)=k-△i(8)h'h‘1h'212h因此，在電路測(cè)量中可能出現(xiàn)的調(diào)整偏差是不會(huì)對(duì)計(jì)算電流差的精度有影響的。增益誤差對(duì)各相的電流差都是一樣的，所以就不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子的判斷造成影響。為了能使AD轉(zhuǎn)換和PWM波形的正確

同步，提高電流采樣的可靠性，PWM波形需要1us的延時(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果下圖顯示出了由上述方法得到的電流差。實(shí)驗(yàn)非常理想，結(jié)果表明，能夠得到足夠檢測(cè)到的電流差，有效的證明了所提出的方法的有效性?？梢员ＷC電機(jī)一直在安全狀態(tài)下起動(dòng)。ApplicationSocietyAnnualMeeting，NewOrleans,1997,pp.459-463.[5]F.Parasiliti,R.Petrella,MTursini,“LowCostPhaseCurrentSensinginDSPBasedACDrives”Proc.oftheIEEEISIE'99,Vol.3,pp.1284-1289,Bled,Slovenia,1999.圖6三相電流差隨轉(zhuǎn)子位置變化關(guān)系圖7轉(zhuǎn)子位置誤差5。結(jié)論這篇論文提出了一種利用脈沖注入來檢測(cè)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子在靜止?fàn)顟B(tài)下位置的方法。此方法是利用磁鐵的位置不同而引起定子電流變化來估測(cè)轉(zhuǎn)子的位置的，能有效的避免瞬時(shí)的反轉(zhuǎn)或者起動(dòng)失敗，它不僅適用于無刷直流電機(jī)還適用于直流同步電機(jī)，并且不需要知道電機(jī)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明估算誤差在［-8+9］的電角度的范圍內(nèi)，因此可以使電機(jī)在安全狀態(tài)下起動(dòng)。由圖7可以看出估算誤差也是有一定規(guī)律的，要進(jìn)一步減小誤差，可以對(duì)程序的算法做進(jìn)一步改進(jìn)。參考文獻(xiàn)[1]王冉冉，劉玉慶.無位置傳感器無刷直流電機(jī)起動(dòng)的比較與研究.微電機(jī)2003年第1期.⑵L.Cardoletti,A.Cassat,M.Jufer,“IndirectPositionDetectionatStandstillforBrushlessDCandStepMotors”Proc.ofEPE89,Aachen,1989,pp.1219-1222.鄧燦，