永磁無刷直流電機無位置傳感器控制綜述

永磁無刷直流電機無位置傳感器控制綜述

1永磁無刷直流電機的無位置傳感器控制的現(xiàn)狀自20世紀50年代以來，永無刷直流電機的優(yōu)點已在許多場合得到廣泛應用，如無更換加熱和錯開的浪費。傳統(tǒng)的永磁無刷直流電機均需一個附加的位置傳感器,用以向逆變橋提供必要的換向信號,它的存在給直流無刷電機的應用帶來很多的缺陷與不便:首先,位置傳感器會增加電機的體積和成本;其次,連線眾多的位置傳感器會降低電機運行的可靠性,即便是現(xiàn)在應用最為廣泛的霍爾傳感器,也存在一定程度的磁不敏感區(qū);再次,在某些惡劣的工作環(huán)境中,如在密封的空調(diào)壓縮機中,由于制冷劑的強腐蝕性,常規(guī)的位置傳感器根本就無法使用。此外,傳感器的安裝精度還會影響電機的運行性能,增加生產(chǎn)的工藝難度。針對位置傳感器所帶來的種種不利影響,近一二十年來,永磁無刷直流電機的無位置傳感器控制一直是國內(nèi)外較為熱門的研究課題。從70年代末開始,截至目前為止,永磁無刷直流電機的無位置傳感器控制已大致經(jīng)歷了3個發(fā)展階段,針對不同的電機性能和應用場合出現(xiàn)了很多不同的控制理論和實現(xiàn)方法,諸如:反電勢法,續(xù)流二極管法,電感法等等。接下來,本文將在簡要論述永磁無刷直流電機無位置傳感器控制研究現(xiàn)狀的基礎上,深入分析目前討論和應用較多的幾類常規(guī)方法的基本原理、實現(xiàn)途徑、應用場合及各自的優(yōu)缺點。2基于位置傳感器控制的電機無方向電所謂的無位置傳感器控制,正確的理解應該是無機械的位置傳感器控制,在電機運轉的過程中,作為逆變橋功率器件換向導通時序的轉子位置信號仍然是需要的,只不過這種信號不再由位置傳感器來提供,而應該由新的位置信號檢測措施來代替,即以提高電路和控制的復雜性來降低電機的復雜性。所以,目前永磁無刷直流電機無位置傳感器控制研究的核心和關鍵就是架構一轉子位置信號檢測線路,從軟硬件兩個方面來間接獲得可靠的轉子位置信號,借以觸發(fā)導通相應的功率器件,驅動電機運轉。近年來,國內(nèi)外均出現(xiàn)了很多的位置信號檢測方法,其中較為成熟的主要有四類:反電勢法、續(xù)流二極管法、電感法和狀態(tài)觀測器法。2.1測量方法的確定“反電勢法”是迄今為止最成熟、最有效,也是最常見和應用最為廣泛的一種轉子位置信號檢測方法。這種方法的基本原理就是在忽略永磁無刷直流電機電樞反應影響的前提下,通過檢測“斷開相”(逆變橋上下功率器件皆處于關斷的那一相)的反電勢過零點,來依次得到轉子的六個關鍵位置信號,并以此作為參考依據(jù),輪流觸發(fā)導通六個功率管,驅動電機運轉。這種方法較常用于電樞繞組采用星形接法的“三相六拍-120°方波型”驅動的永磁無刷直流電機(因為方波電機只需若干個離散的關鍵轉子位置信號)。圖1(a)、(b)分別給出了一臺方波電機的主回路,反電勢波形及逆變器功率器件的觸發(fā)組合狀態(tài)。由圖1(b)可知,在逆變器供電的任一瞬間,總有一相其上下橋臂均處于斷開狀態(tài),即電機該相繞組是懸空的,故該相繞組的相電壓等于其感生電勢。在忽略電樞反應對氣隙磁場造成影響的前提下,可近似認為這一感生電勢就等于該相繞組所產(chǎn)生的反電勢。檢測這一反電勢的過零點時刻,并作適當延遲,即可得到功率器件的正確觸發(fā)時刻,而反電勢過零點又可通過相電壓或端電壓檢測得到。假定在T0～T1期間,G5、G6導通,a相懸空,如圖1(a)所示,可知a相的反電勢ea=Uan(a相相電壓),a相的端電壓Uag=Uan+Ung=ea+Ung。在t0時刻,ea=0,b、c兩相電流相反,并認為其阻抗相等,且由反電勢波形可知:此時eb+ec=0,故Ung=1/2Ud,所以Uag=ea+Ung=1/2Ud。只要能檢測到Uan或(Uag-1/2Ud)的過零時刻,即可間接檢測到ea的過零時刻。由于該檢測點超前于下次換流30°,故可在延遲1/12逆變周期后,關斷G5,觸發(fā)導通G1,這樣可保證電機能連續(xù)產(chǎn)生最大平均電磁轉矩。重復上述過程,依次檢測ea的另一個過零點及eb、ec的全部過零點,并作同樣延遲后,輪流觸發(fā)導通a、b、c三相的上下橋臂,即可保證永磁無刷直流電機的正確換向時序。根據(jù)檢測對象的不同,這種檢測方法又可分別叫做相電壓法(檢測Uan)、端電壓法(檢測Uag)。其中,端電壓法的應用較多。在端電壓法中,為了實現(xiàn)各相端電壓的過零檢測,首先可將Uag、Ubg、Ucg分別輸入一低通濾波裝置,以剔除其中會嚴重干擾反電勢波形,使得過零點不明確的斬波信號;然后再使用一電壓比較器,分別將各相端電壓同零電平比較,依據(jù)比較結果所產(chǎn)生的編碼信號進行編碼,來得到轉子位置信號。目前,零電平的選取大多如圖2所示,由Va、Vb、Vc經(jīng)三相對稱星形連接的電阻電路的中心點電平V0代替。最近國外提出了一種新方法:把三相反電勢(用相電壓代替)首先由方波轉化成三相對稱正弦波,再通過星形連接,得到中心點電平,來代替零電平。這種方法可得到精確“0”點(三相對稱正弦波合成后即為零),能減小位置檢測誤差。反電勢法原理簡單,實現(xiàn)方便,是目前應用最多的一種無位置傳感器的位置檢測方法,但這種方法也有兩個弱點,即:起動困難和誤差補償。當電機靜止時或轉速較低時,反電勢為零或很小,很難通過反電勢過零點檢測來得到正確的位置信號,故這種方法嚴重影響了電機的調(diào)速范圍,使得電機起動困難。因而使用這種方法時,電機通常要進行“三段式”起動,即“轉子定位”、“變頻加速”和“狀態(tài)切換”,其中第二、三步跟電機的自身特性、負載轉矩、外施電壓、加速曲線等密切相關,方法不當,很容易造成電機失步,起動失敗。電機在由他控式變頻調(diào)速同步電機狀態(tài)向無刷直流電機狀態(tài)切換時,更是要求反復實驗,軟硬件可靠?，F(xiàn)在很多應用場合都是通過軟件來實現(xiàn)自檢和切換。此外,反電勢法因為忽略了電樞反應對氣隙合成磁場的影響,故在原理上就存在一定的誤差。顯然,當反電勢過零點和氣隙合成磁場(轉子勵磁磁場和定子電樞反應磁場的合成)匝鏈電樞繞組所產(chǎn)生的總的感生電勢過零點不重合時,就會產(chǎn)生轉子位置誤差,且反電勢系數(shù)Ke越小或電機轉速越低,誤差就越大,所以在反電勢法的永磁無刷直流電機的無位置傳感器控制中,必須要有一定的誤差補償措施。2.2續(xù)流二級管導通續(xù)流二極管法又稱“第三相導通法”,它是通過反并聯(lián)于逆變橋功率開關管上續(xù)流二極管導通與關斷狀態(tài)的檢測來確定轉子位置的。這種方法同樣適用于120°導通、三相六拍方波驅動的永磁無刷直流電機,其實現(xiàn)方案的主回路和所要求的功率器件PWM時序分別如圖3(a)、(b)所示。下面以Ta+處于斬波,Tb-處于導通階段為例來說明其工作原理。當Ta+由開通轉為關斷時,若繞組自感、互感均為常數(shù),則C相的端電壓可表示為式中ea、eb、ec——分別是a、b、c三相的反電勢VCE、VF——分別是功率器件和續(xù)流二極管的正向導通壓降若要“第三相導通”,即Dc-導通,則必須Vc<-VF(2)將(1)代入(2),可得當ec=0時,ea+eb=0,VCE、VF很小,可忽略,故續(xù)流二級管導通的條件近似為ec<0,只要檢測DC-的導通狀態(tài),就可檢測到C相反電勢的過零點;作適當延遲后,再導通TC-,如此反復,即可得正確的換向時序,依次觸發(fā)不同的功率管,帶動電機旋轉。續(xù)流二級管法其本質(zhì)還是反電勢法,只是在“斷開相”反電勢過零點檢測上有了一定的改變。這種改變在一定程度上能夠拓寬電機的調(diào)速范圍,尤其是能拓寬電機調(diào)速的下限,因為續(xù)流二級管的導通壓降很小,只要|ec|>|(VCE+VF)/2|即可,而VCE和VF通常都很小。在有些應用場合,電機的最低轉速甚至能小于100r/min。但這種方法也有較大的不足:(1)它要求逆變器必須工作在上下功率器件輪流處于PWM斬波方式,控制的難度較大(2)它必須從軟、硬件兩個方面去除二極管續(xù)流導通的無效信號和因毛刺干擾而產(chǎn)生的誤導通信號(3)這種方法也存在著較大的誤差,當Ke很小或轉速較低時,VCE、VF和反電勢相比就不可忽略,因忽略而造成的誤差應有一定的相位補償措施。正因為以上的缺點和不足,這種方法現(xiàn)在在國內(nèi)應用并不是很廣泛。2.3恒電流恒壓lb-電子線路轉換控制電感法有兩種形式:一種是用于凸極式永磁無刷直流電機,另一種是用于內(nèi)嵌式磁鋼結構的永磁無刷直流電機。第一種電感法主要是通過在起動過程中對電機繞組施加探測電壓來判斷其電感的變化,它是“反電勢法”中所用到的一種起動技術。因為在凸極機中,繞組自感L可表示成繞組軸線與轉子直軸間夾角θ的偶次余弦函數(shù),通過檢測L的變化,就可判斷出轉子軸線的大致位置,再根據(jù)鐵心飽和程度的變化趨勢確定其極性,從而最終得到正確位置信號。這種方法因實現(xiàn)難度較大,且只能應用于凸極機,故現(xiàn)在應用也較少。與第一種相比,第二種形式才是真正意義上的電感法。在一臺內(nèi)嵌式永磁無刷直流電機中,繞組電感會因為轉子位置的改變而發(fā)生相應變化,通過檢測這些變化,再經(jīng)過一定計算,即可得到轉子位置信號。當星形接法三相繞組的電感發(fā)生變化時,其中點電位Vn就會發(fā)生變化。不妨假定圖3中的Ta+、Tb-導通,當ec>0時,Lb>La,Vn>1/2Ud;反之,當ec<0時,Lb<La,Vn<1/2Ud;當且僅當ec=0時,Lb=La,Vn=1/2Ud。所以,檢測Lb=La時刻,即可檢測到ec的過零點時刻。這種方法由國外最先提出,并在空調(diào)壓縮機控制上有所應用,調(diào)速范圍大概能達到500～7,500r/min。這種方法檢測的精度較高、誤差較小,但實現(xiàn)難度也較大,它需要對繞組電感進行不斷的實時檢測。2.4轉子位置信號的測量狀態(tài)觀測器法即轉子位置計算法,是將電機三相電壓、電流作坐標變換,在派克方程的基礎上估算出電機轉子位置的一種方法。這種方法近年來國外提得較多。這種方法檢測轉子位置信號的基本原理是:將電機在a-b-c坐標系下的三相實測相電流和相電壓轉換至代表轉子假想位置的α-β坐標系下(兩坐標系的角度差為Δθ);再根據(jù)該坐標系下的電流由派克方程計算出三相電壓值;比較這一電壓和前面經(jīng)轉換所得電壓的差值,就可得函數(shù)關系ΔU=f(Δθ)。經(jīng)推導可發(fā)現(xiàn):當Δθ→0時,ΔU∝Δθ,故可采用一狀態(tài)觀測器來觀測ΔU,從而獲得Δθ,即轉子位置信號。狀態(tài)觀測器法一般只適用于感應電勢為正弦波的永磁無刷直流電機,且計算繁瑣,對微機性能要求較高。所以這種方法盡管在八十年代末就有人提出,國外發(fā)表的相關文章也很多,但應用卻不是很廣泛。只是到了近年,由于單片機技術的發(fā)展,特別是高性能微處理器DSP(數(shù)字信號處理器)的應用和推廣,該方法才有了一定的應用場合。國外已有人采用TMS320C31、TMS320C30、ADMC330等DSP芯片實現(xiàn)了該種方法的永磁無刷直流電機無位置傳感器控制。2.5開相控制法除了上述幾種方法,國內(nèi)外還出現(xiàn)了其它一些轉子位置信號檢測方法,如:渦流法——在轉子表面安裝非磁性材料,通過檢測因該材料中渦流而造成的斷開相電壓改變來獲得轉子位置信號的方法;模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制法——通過自適應技術、模糊控制策略或神經(jīng)網(wǎng)絡控制策略來建立被測相的電壓、電流和轉子位置的相互關系,基于被測相電壓和電流來獨立地獲得轉子位置信號,借以提高轉子位置檢測精度的方法;電流法——根據(jù)電流波形決定換向時序的方法及矢量表法等。