無刷直流電動機無位置傳感器技術的新發(fā)展
呂魯瑩，陳敏祥（浙江大學，浙江杭州310027）
摘要：介紹了幾種無位置傳感器無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子位置信號檢測方法的新趨勢，并論述了它們的基本原理、實現(xiàn)方法、優(yōu)缺點和改進策略。
關鍵詞：無位置傳感器；無刷直流電動機；位置檢測
中圖分類號：tm30 文獻標識碼ja 文章編號：1004 -7018 (2008) 09 -0056 -04
0引言
無刷直流電動機具有調(diào)速性能好、效率高、起動轉(zhuǎn)矩大、控制方法靈活多變等諸多優(yōu)點，故其應用范圍遍及各個領域，并且日趨廣泛【1】。但是傳統(tǒng)的無刷直流電動機采用附加的位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，不僅增加了成本和電機結構的復雜性，而且在某些高溫、高壓或者強腐蝕性環(huán)境中，位置傳感器會降低系統(tǒng)的可靠性或者根本無法安裝。因此，實現(xiàn)無位置感器的無刷直流電動機控制成為近年來無刷直流電動機發(fā)展的重要方向之。
目前，大多數(shù)無刷直流電動機無位置傳感器控制都采用反電勢檢測法和開環(huán)起動技術（又稱三段式起動法）。反電勢法【2】是迄今為止最成熟、最常見的轉(zhuǎn)子位置信號檢測方法，在應用上具體地可分為三種：反電勢過零點法、反電勢積分及參考電壓比較法、反電勢積分及鎖相環(huán)法。由于廈電勢幅值與電機轉(zhuǎn)速成正比，因此反電勢法都不適合于低速范圍。而目前廣泛采用的開環(huán)起動技術，它的成功實現(xiàn)與負載轉(zhuǎn)矩、電機參數(shù)、外施電壓、加速曲線等諸多因素有關，如果控制不當，很容易導致電機失步甚至起動失敗。如今．隨著磁性材料、電力電子器件和控制技術的發(fā)展，針對不同的性能需求和使用場合（尤其是在無刷直流電動機的起動和低速運行范圍），人們已經(jīng)提出了諸多新型的無位置傳感器控制方法。本文詳細介紹r目前研究較多的幾種控制
1定子繞組電感法
定子繞組電感法是近年來無刷直流電動機無位置傳感器控制研究的熱門方向之一。當轉(zhuǎn)子處于不同的位置時，轉(zhuǎn)子磁場在定子繞組中產(chǎn)生的磁鏈不同，從而定子繞組的電感值也不同。根據(jù)這一性質(zhì)，可通過檢測電感的變化來判斷轉(zhuǎn)子的位置。定子繞組電感法****的優(yōu)點是，即使在零速沒有反電勢時也能有效地檢測出轉(zhuǎn)子位置：
早期的文獻[3]針對繞組星型接法的內(nèi)嵌式(ipm)直流無刷電機提出了電感測量法。當兩相繞組電感量相等時刻即對應于反電勢過零點，此時繞組中性點電位為直流側中點電壓。文中對空調(diào)壓縮機進行了實驗，盡管低速時反電動勢很小，但中性點電位代表了位置信息，調(diào)速范圍可達到500 -7 500r／min．
后兩年，普適性較強、較為成熟的定子繞組電感法（即該方法對電機轉(zhuǎn)子結構無特殊要求）是根據(jù)定子鐵心非線性磁化特性，即靠近轉(zhuǎn)子永磁極的定子能被強烈磁化[4-6]。由于定子存在鐵心磁飽和現(xiàn)象，所以靠近磁極的定子繞組按照順磁方向電流的變化率大于逆磁方向的電流變化率。轉(zhuǎn)子不同位置時，通過pwm變換器給定子繞組在固定的時間內(nèi)加恒定的電壓矢量，則流過定子繞組的電流值不同，通過比較其電流值的大小可以確定轉(zhuǎn)子磁極的位置。定子繞組電感法檢測轉(zhuǎn)子位置分為兩個階段：一是位置的初步估計；二是位置的精確估計。如圖l所示，建立d-q坐標軸平面，其中d軸方法的基本原理、應用場合、優(yōu)缺點及改進策略。是轉(zhuǎn)子n極位于相應的定子繞組的軸線時的相對位置，此時對應定子繞組電感值最小。主電路中三對橋臂分別設為開關函數(shù)，利用矢量的概念把主電路對應的八種通斷狀態(tài)用矢量表示，根據(jù)實際情況，圖中只給出了六種通斷狀態(tài)的矢量表示。
電機起動時，把一對大小相同、方向相反的電壓矢量在采樣時間r分別加在對應相定子繞組上，通過對主電路中直流環(huán)電流值的采樣、保存、比較后得出結果。在位置估計的第二階段，把包含在d軸右半坐標平面的一對電壓矢量在t內(nèi)分別加在對應相定子繞組上。對直流環(huán)的電流值采樣、保存，并且與前面獲得的電流采樣值比較，從而可以進一步確定轉(zhuǎn)子位置。例如，第一階段，在電機上分別加電壓矢量v 1與v 4，通過對直流環(huán)的電流值采樣后分別得到i 1與i 4比較、i 1與i 4的大小，可以把d軸（轉(zhuǎn)子磁極北極）位置初步確定在180度電角度范圍內(nèi)。第二階段，把電壓矢量v 2與v 6在t內(nèi)分別加在對應的定子繞組上，在導通時期的最后時刻對直流環(huán)電流i 2 |
