無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器技術(shù)的新發(fā)展
呂魯瑩，陳敏祥（浙江大學(xué)，浙江杭州310027）
摘要：介紹了幾種無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法的新趨勢(shì)，并論述了它們的基本原理、實(shí)現(xiàn)方法、優(yōu)缺點(diǎn)和改進(jìn)策略。
關(guān)鍵詞：無(wú)位置傳感器；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；位置檢測(cè)
中圖分類(lèi)號(hào)：TM30 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼JA 文章編號(hào)：1004 -7018 (2008) 09 -0056 -04
0引言
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能好、效率高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、控制方法靈活多變等諸多優(yōu)點(diǎn)，故其應(yīng)用范圍遍及各個(gè)領(lǐng)域，并且日趨廣泛【1】。但是傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用附加的位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，不僅增加了成本和電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，而且在某些高溫、高壓或者強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中，位置傳感器會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性或者根本無(wú)法安裝。因此，實(shí)現(xiàn)無(wú)位置感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制成為近年來(lái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要方向之。
目前，大多數(shù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制都采用反電勢(shì)檢測(cè)法和開(kāi)環(huán)起動(dòng)技術(shù)（又稱(chēng)三段式起動(dòng)法）。反電勢(shì)法【2】是迄今為止最成熟、最常見(jiàn)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法，在應(yīng)用上具體地可分為三種：反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)法、反電勢(shì)積分及參考電壓比較法、反電勢(shì)積分及鎖相環(huán)法。由于廈電勢(shì)幅值與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，因此反電勢(shì)法都不適合于低速范圍。而目前廣泛采用的開(kāi)環(huán)起動(dòng)技術(shù)，它的成功實(shí)現(xiàn)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電機(jī)參數(shù)、外施電壓、加速曲線等諸多因素有關(guān)，如果控制不當(dāng)，很容易導(dǎo)致電機(jī)失步甚至起動(dòng)失敗。如今．隨著磁性材料、電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)不同的性能需求和使用場(chǎng)合（尤其是在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和低速運(yùn)行范圍），人們已經(jīng)提出了諸多新型的無(wú)位置傳感器控制方法。本文詳細(xì)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(lái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制研究的熱門(mén)方向之一。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于不同的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(guò)檢測(cè)電感的變化來(lái)判斷轉(zhuǎn)子的位置。定子繞組電感法****的優(yōu)點(diǎn)是，即使在零速?zèng)]有反電勢(shì)時(shí)也能有效地檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置：
早期的文獻(xiàn)[3]針對(duì)繞組星型接法的內(nèi)嵌式(IPM)直流無(wú)刷電機(jī)提出了電感測(cè)量法。當(dāng)兩相繞組電感量相等時(shí)刻即對(duì)應(yīng)于反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)繞組中性點(diǎn)電位為直流側(cè)中點(diǎn)電壓。文中對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，盡管低速時(shí)反電動(dòng)勢(shì)很小，但中性點(diǎn)電位代表了位置信息，調(diào)速范圍可達(dá)到500 -7 500r／min．
后兩年，普適性較強(qiáng)、較為成熟的定子繞組電感法（即該方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無(wú)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(qiáng)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(shí)，通過(guò)PWM變換器給定子繞組在固定的時(shí)間內(nèi)加恒定的電壓矢量，則流過(guò)定子繞組的電流值不同，通過(guò)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(cè)轉(zhuǎn)子位置分為兩個(gè)階段：一是位置的初步估計(jì)；二是位置的精確估計(jì)。如圖l所示，建立d-q坐標(biāo)軸平面，其中d軸方法的基本原理、應(yīng)用場(chǎng)合、優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)策略。是轉(zhuǎn)子N極位于相應(yīng)的定子繞組的軸線時(shí)的相對(duì)位置，此時(shí)對(duì)應(yīng)定子繞組電感值最小。主電路中三對(duì)橋臂分別設(shè)為開(kāi)關(guān)函數(shù)，利用矢量的概念把主電路對(duì)應(yīng)的八種通斷狀態(tài)用矢量表示，根據(jù)實(shí)際情況，圖中只給出了六種通斷狀態(tài)的矢量表示。
 電機(jī)起動(dòng)時(shí)，把一對(duì)大小相同、方向相反的電壓矢量在采樣時(shí)間r分別加在對(duì)應(yīng)相定子繞組上，通過(guò)對(duì)主電路中直流環(huán)電流值的采樣、保存、比較后得出結(jié)果。在位置估計(jì)的第二階段，把包含在d軸右半坐標(biāo)平面的一對(duì)電壓矢量在t內(nèi)分別加在對(duì)應(yīng)相定子繞組上。對(duì)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(jìn)一步確定轉(zhuǎn)子位置。例如，第一階段，在電機(jī)上分別加電壓矢量V1與V4，通過(guò)對(duì)直流環(huán)的電流值采樣后分別得到I1與I4比較、I1與I4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V2與V6在T內(nèi)分別加在對(duì)應(yīng)的定子繞組上，在導(dǎo)通時(shí)期的最后時(shí)刻對(duì)直流環(huán)電流I2與I6采樣。然后把I1與I4值與I2與I6進(jìn)行比較，假設(shè)I1值是其中****的，則可判斷轉(zhuǎn)子d軸位于圖1中I或者Ⅵ區(qū)域內(nèi)，這樣可以把轉(zhuǎn)子的位置確定在60度電角度的范圍區(qū)城內(nèi)。傳統(tǒng)的方法將轉(zhuǎn)子位置確定在這一范圍內(nèi)已是極限，但在定子繞組電感法中，利用位于q軸處的定子繞組電感值****的事實(shí)，可進(jìn)一步把轉(zhuǎn)子位置確定在30度電角度范圍內(nèi)。假設(shè)，I2大于I6則說(shuō)明轉(zhuǎn)子位置在圖l中Ⅵ區(qū)域內(nèi)靠近d軸的30度電角度范圍內(nèi)，否則轉(zhuǎn)子位于Ⅵ區(qū)域內(nèi)靠近d軸的30度電角度范圍內(nèi)。從而可以更精確地確定換相時(shí)刻，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的相繞組。
在位置初步估計(jì)時(shí)，如I1近似等于I4時(shí)，則說(shuō)明轉(zhuǎn)子位置位于電壓矢量V1或V4的垂直處。此時(shí)通過(guò)比較I1與I4值的大小難以確定定子繞組的磁極。但依照同樣的方法，更換電壓矢量對(duì)并加在對(duì)應(yīng)相的定子繞組上，也可以初步確定轉(zhuǎn)子位置。
定子繞組電感法確定轉(zhuǎn)子位置時(shí)，電壓矢量加在對(duì)應(yīng)相繞組上的****導(dǎo)通時(shí)間Ts是一個(gè)非常重要的參數(shù)。確定Ts的原則是，在確保轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)的前提下，盡可能增大電壓矢量對(duì)電流的差值。同樣以空調(diào)壓縮機(jī)控制為例，定子繞組電感法的調(diào)速范圍大概能達(dá)到500 -7 500 r/min。
以上兩種方法都實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?gòu)慕茷榱闼俚礁咚俚目刂�，精度高、誤差小，但是兩種方法都需要對(duì)繞組電感進(jìn)行不斷的實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)難度較大。電感檢測(cè)技術(shù)能否成熟取決于能否精確地檢測(cè)出電感的變化。如果在不髟響無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能和應(yīng)用領(lǐng)域的前提下，能夠通過(guò)對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)的適當(dāng)改造，使得電感隨轉(zhuǎn)子位置的不同有較為明顯的變化且方便實(shí)時(shí)檢測(cè)，則不失為一種****潛力的發(fā)展趨勢(shì)：
2速度無(wú)關(guān)位置函數(shù)法
速度無(wú)關(guān)位置函數(shù)法是基于一個(gè)全新的物理概念而提出的檢測(cè)方法【7】磁鏈函數(shù)在物理意義上與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，因而理論上借助磁鏈函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的方法適用于整個(gè)速度范圍。具體地說(shuō)，速度無(wú)關(guān)這個(gè)物理概念是基于速度獨(dú)立位置函數(shù)而形成的，運(yùn)用這個(gè)函數(shù)能估算出換向瞬間從接近于零（額定轉(zhuǎn)速的百分之十五）到高速度之間的任一值。這個(gè)方法最早由國(guó)外提出，國(guó)內(nèi)相繼以仿真模型的形式驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性【8-9】。
為了便于說(shuō)明，先對(duì)電機(jī)做以下三點(diǎn)假設(shè)：
(1)電機(jī)運(yùn)行于額定條件，忽略繞組電流的磁飽和現(xiàn)象；
(2)漏感很小，忽略不計(jì)；
(3)忽略鐵耗：
列出無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電壓方程如下：
(1)式中：Ua、ia、R、Ls、Lm、θ、λar分別表示4相的相電壓、相電流、相電阻、自惑、互感、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)子磁通在A相產(chǎn)生的磁鏈。在穩(wěn)定系統(tǒng)下有：
線電壓方程可表示為：
這里ω和ke分別表示速度和反電勢(shì)系數(shù)�？梢钥闯鍪�(1)中的λar（θ）表示為一個(gè)常量乘以一個(gè)周期函數(shù)，這個(gè)函數(shù)隨式(3)中所示的轉(zhuǎn)子位置而變化。這個(gè)fabr（θ）是線到線的磁鏈形式函數(shù)，隨轉(zhuǎn)子位置而改變�，F(xiàn)在對(duì)函數(shù)H（θ）ab作如下定義：
為了消除式(6)中的ω將兩個(gè)線線函數(shù)H（θ）相除，得到一個(gè)新函數(shù)G（θ）
利用兩個(gè)函數(shù)之比，可以得到****的位置信號(hào)，該信號(hào)在每個(gè)換向點(diǎn)具有高靈敏性，且與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。在每個(gè)換向間隔中對(duì)兩個(gè)線線函數(shù)H（θ）的連續(xù)合并，可以產(chǎn)生函數(shù)G（θ）這個(gè)函數(shù)與速度無(wú)關(guān)，且包含連續(xù)的位置信號(hào)。由于電機(jī)以任何轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)該函數(shù)的表達(dá)形式都是一樣的，且與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，所以在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)都能得到一個(gè)精確的換向脈沖。
這種方法能在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速近似為零到高速時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)并給出換相時(shí)刻。但是該方法的理論分析與仿真模型是基于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有理想的梯形波磁場(chǎng)的前提下（財(cái)電機(jī)所做的三個(gè)假設(shè)），將磁鏈函數(shù)值與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較來(lái)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，并未給出磁鏈函數(shù)特性和換相閾值的確定方法，也未給出實(shí)驗(yàn)條件改變（如改變無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)）情況下是否有轉(zhuǎn)速范圍限制及如何選擇的確切答案，而這些都關(guān)系到該技術(shù)能否可靠、有效地應(yīng)用。文獻(xiàn)[10]就磁鏈函數(shù)特性分析、判斷電機(jī)換相的閩值以及適用的轉(zhuǎn)速范圍的選擇等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)指出：磁鏈函數(shù)法是對(duì)線間反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的間接利用，因此無(wú)需無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有理想的梯形波反電動(dòng)勢(shì)。同時(shí)，也指出在一定的采樣頻率和轉(zhuǎn)子分辨率下，該方法存在一定的轉(zhuǎn)速范圍�？傮w而言，速度無(wú)關(guān)位置函數(shù)法在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)和暫態(tài)過(guò)程中都能夠保證良好的位置檢測(cè)精度，為拓展低速運(yùn)行范圍提供了一種全新的、有實(shí)用價(jià)值的解決方案。
3擴(kuò)展卡爾曼濾波器法
基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)的狀態(tài)觀測(cè)器法也稱(chēng)為轉(zhuǎn)子位置計(jì)算法。它是指在獲取繞組電壓、不導(dǎo)通相反電勢(shì)和負(fù)載電流等變量的基礎(chǔ)上，利用特定算法預(yù)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置以及轉(zhuǎn)速。但是在實(shí)際情況中，直接計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)往往是不準(zhǔn)確的，需要用卡爾曼濾波器來(lái)濾除誤差�？柭鼮V波器是現(xiàn)代控制理論中對(duì)噪聲環(huán)境下系統(tǒng)扶態(tài)估計(jì)應(yīng)用最成功的方法。作為其在非線性系統(tǒng)上的應(yīng)用，擴(kuò)展卡爾曼濾波器( EKF)利用局部線性化手段，可以有效地削弱隨機(jī)干擾和量測(cè)噪聲的影響，更適合于在惡劣環(huán)境中應(yīng)用。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)估計(jì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的方法。采用三相定子相電流實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子狀態(tài)的估計(jì)，計(jì)算量小、成本低，但是該方法在轉(zhuǎn)子起動(dòng)時(shí)必須設(shè)置預(yù)定位，否則有可能出現(xiàn)因估算不準(zhǔn)確而導(dǎo)致電機(jī)不能正常起動(dòng)的情況。文獻(xiàn)[12]則將定子電流、電壓和整段反電動(dòng)勢(shì)作為狀態(tài)變量，用擴(kuò)展卡爾曼濾波的方法對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)。該方法可以較好地測(cè)出無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，特別是在轉(zhuǎn)速比較低的情況下；但該方法存在一定的延時(shí)，關(guān)鍵是****初始狀態(tài)和方差陣選擇需通過(guò)湊試法獲得，且電機(jī)參數(shù)在運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)有細(xì)微改變。
盡管擴(kuò)展卡爾曼濾波器法較早提出，但因其計(jì)算繁瑣，對(duì)微機(jī)性能要求較高，應(yīng)用并不廣泛。近些年，具有快速?gòu)?qiáng)大計(jì)算能力的數(shù)字信號(hào)處理器( DSP)在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用，保證了轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速和擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩信息的實(shí)時(shí)陛，從而使擴(kuò)展卡爾曼濾波器法的可行性和可靠性大大提高了。文獻(xiàn)[13]將定子電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相位置作為狀態(tài)變量，來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展卡爾曼濾波器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制。在實(shí)驗(yàn)中，以變頻空調(diào)電機(jī)為控制對(duì)象，采用TI公司的TM S320F2812數(shù)字信號(hào)處理器作為控制芯片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明無(wú)論是運(yùn)行在高速還是低速，該方法都能快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)[14]同樣在實(shí)驗(yàn)中采用TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器作為控制芯片，進(jìn)一步提出了具有相位、增益校正的擴(kuò)展p爾曼濾波器法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其具有非常好的控制效果，在一定的調(diào)速范圍內(nèi)完全可以取代有位置傳感器控制器在壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵等的應(yīng)用。
4智能控制法
隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，智能化控制得到了****的發(fā)展。例如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[15-16]等在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制領(lǐng)域也得到了應(yīng)用，并取得了一定的控制效果。這些控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)是：無(wú)需被控對(duì)象進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)建模，而且具有很強(qiáng)的魯棒性，非常適合控制電機(jī)這種非線性、變參數(shù)對(duì)象，尤其對(duì)電機(jī)在低速范圍內(nèi)的性能有所改善；但是，控制系統(tǒng)性能、計(jì)算量大小、計(jì)算速度快慢與控制方法本身特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān)。同時(shí)，一些算法相當(dāng)費(fèi)時(shí)，也限制了它們?cè)趯?shí)時(shí)性要求較高的控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過(guò)分析無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)間接位置檢測(cè)原理，提出了基于徑向基函數(shù)( RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制法[17]。電機(jī)的端電壓和相電流通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和邏輯處理后能估算出磁鏈向量，而磁鏈向量中包含轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，即可獲得轉(zhuǎn)于磁極位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制中可取得較高的精度。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[18]又提出了基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制新方法，該方法構(gòu)建小波網(wǎng)絡(luò)模型，采用梯度下降法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法相比于前一種方法，具有訓(xùn)練時(shí)間短、控制精度高等特點(diǎn)。
5結(jié)語(yǔ)
本文著重論述了目前國(guó)內(nèi)外研究較多的幾種無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法：定子繞組電感法、速度無(wú)關(guān)位置函數(shù)法、擴(kuò)展卡爾曼濾波器法和智能控制法。這些檢測(cè)方法目前尚未成熟，但因其能較好地解決無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在靜止和低速狀態(tài)下檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的問(wèn)題并盡可能大地?cái)U(kuò)展電機(jī)的調(diào)速范圍，是未來(lái)電機(jī)控制技術(shù)中較有潛力的發(fā)展趨勢(shì)。本文介紹了上述方法的基本原理、實(shí)現(xiàn)方法和優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)它們的應(yīng)用與改進(jìn)策略做了一定的分析和討論。
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