基于反電勢積分補(bǔ)償法的無刷直流電動機(jī)控制
李聲晉1，馬 暉2，盧 剛1，李曉明2
(1西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072；2．西安慶安制冷設(shè)備股份有限公司研究所，陜西西安710077)
摘要：針對元位置傳感器無刷直流電動機(jī)的控制要求，采用反電勢積分法來獲取轉(zhuǎn)子位置信號，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行相位補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的準(zhǔn)確換相控制；采用升頻升壓法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的起動和加速，最終切換為無位置傳感器無刷工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)起動正常，能夠在元位置傳感器狀況下正常工作，已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：反電勢積分；相位補(bǔ)償；升頻升壓；無刷直流電動機(jī)；無位置傳感器
中圖分類號：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)06—0037—03
0引言
隨著無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用日趨廣泛，系統(tǒng)對無刷直流電動機(jī)的成本和微型化、可靠性的要求也越來越高。無位置傳感器無刷直流電動機(jī)是近幾年來發(fā)展比較快的一種無刷直流電動機(jī)，它省去了轉(zhuǎn)子位置傳感器，適用于對成本、體積有要求或者工作環(huán)境惡劣的場合，在壓縮機(jī)、DVD、硬盤等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。
通過檢測反電勢信號來間接估算轉(zhuǎn)子位置信號是目前研究最多、應(yīng)用****泛的一種轉(zhuǎn)子位置檢測方法[4 ]。本文提出通過將電機(jī)繞組反電勢信號積分過零比較后獲得轉(zhuǎn)子位置信號，并采用升頻升壓法實(shí)現(xiàn)元刷直流電動機(jī)的外同步開環(huán)起動，成功地實(shí)現(xiàn)了無位置傳感器無刷直流電動機(jī)的控制。
1反電勢積分法原理
無刷直流電動機(jī)在任意時(shí)刻總有一相繞組不導(dǎo)通，這時(shí)候繞組的端電壓(從繞組端部到直流地之間)與相電壓(從繞組端部到中心點(diǎn)之間)就反映出該繞組的感應(yīng)電勢。因大部分無刷直流電動機(jī)都沒有中心點(diǎn)引出線，因此常用測量端電壓的方法，即在相電壓的基礎(chǔ)上再加上中心點(diǎn)對地的電壓[5]。以反電勢為梯形波的三相無刷直流電動機(jī)為例，定子繞組星形連接，設(shè)電機(jī)采用兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)的工作方式，電機(jī)繞組的反電勢波形如圖1所示。
只要測量出三相端電壓，然后由軟件確定當(dāng)前時(shí)刻的反電勢相，計(jì)算未導(dǎo)通相端電壓與三相端電壓總和三分之一的差值即可得到未導(dǎo)通相的反電勢值，當(dāng)該差值為零時(shí)即表明檢測到反電勢過零點(diǎn)，這就是反電勢過零檢測法[1]。圖1中的mx點(diǎn)即為反電動勢過零點(diǎn)，其中x=1，2，3，4，5，6。當(dāng)測得反電勢過零點(diǎn)后，再延遲30。電角度就是真實(shí)的換相點(diǎn)，而每兩個(gè)換相時(shí)間相差60。電角度。所以，電機(jī)的換相時(shí)刻發(fā)生在反電勢過零點(diǎn)延遲30。+k×60。(k=0，1，2，…)電角度的地方。
當(dāng)k=O時(shí)，反電勢過零法的延遲角****為30。電角度，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍較大時(shí)，由濾波電容造成的相位偏移有可能超過30。電角度，此時(shí)反電勢過零法無法直接實(shí)現(xiàn)換相。因此，取k=l采用相位延遲90。電角度換相的方法。由于積分器正好滿足了電流超前電壓90。電角度的要求，因此采用積分器來實(shí)現(xiàn)相位90。電角度延遲功能。積分器的輸出再與零電壓比較后獲得方波輸出信號，作為換相依據(jù)，這就是反電勢積分法。
圖2是本文所采用的反電勢積分過零比較電路。UA、UB、Uc是直流變頻電機(jī)的三相繞組反電勢輸入電壓，R1+R2、R3，+R4和R5+R6形成星形連接，其中點(diǎn)電壓可以看作是零電壓。R1與R2、R3與R4、R5與R6分別構(gòu)成了繞組反電勢信號的分壓電路，C1、C2和C3并聯(lián)在分壓電阻的兩端，起到一定的濾波作用。以A相反電勢信號為例，經(jīng)過分壓后的反電勢信號通過由運(yùn)算放大器和R7、R8、R9以及C4構(gòu)成的積分器，實(shí)現(xiàn)相移90。積分器輸出信號與零電壓進(jìn)行比較獲得的輸出就代表了轉(zhuǎn)子的位置換相信息。設(shè)置比較器工作在滯回比較的方式，利用滯回電壓差來消除過零點(diǎn)附近的干擾信號所可能誘發(fā)的錯(cuò)誤輸出信號。
由于電容在不同輸入頻率下表現(xiàn)出的阻抗不同，對于同等幅值、不同頻率的繞組反電勢信號，積分器輸出信號會產(chǎn)生不同程度的相位偏移。另外，如尖峰電壓、二極管續(xù)流等也會影響到反電勢過零信號，但與上述因素比較起來影響很小。因而，常在補(bǔ)償算法中主要考慮濾波電路引起的相位偏移。
仍以A相為例，UA為UA經(jīng)R1、R2與C1分壓濾波后的輸出電壓，UA0為UA經(jīng)積分器后的輸出電壓，則UA和UA0點(diǎn)處電壓及相移角度的表達(dá)式分別為：
因此，輸出電壓相對于輸入電壓總的相位移為：θ=θ1+θ2。由此得到反電勢信號移相角度的大小只和反電勢頻率有關(guān)，即與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速計(jì)算相應(yīng)的相位偏移，在算法中進(jìn)行補(bǔ)償即可。但實(shí)際中仍會有一定的位置誤差，因電路中電阻電容隨溫度變化，電樞反應(yīng)導(dǎo)致磁場扭斜畸變等綜合因素，難以用理論方式準(zhǔn)確補(bǔ)償相位誤差。工程中通常采用試驗(yàn)的方法，將獲得的不同轉(zhuǎn)速下反電勢檢測電路的相位偏移角，做成一張表格存放在微控制器的存儲器中，微控制器依據(jù)計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速查找表格，實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償。
2無位置傳感器無刷直流電動機(jī)的起動
當(dāng)電機(jī)靜止或者轉(zhuǎn)速較低時(shí)，繞組的反電勢信號幅度較低，無法準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行檢測，必須采用其它方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的起動，當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定速度才能通過反電勢檢測電路實(shí)現(xiàn)無位置傳感器換相控制[6]。針對這個(gè)問題，人們常采用三段式起動技術(shù)加以解決，但它只能在輕載及小慣量負(fù)載條件下起動，且在切換階段往往運(yùn)行不平穩(wěn)，易受干擾等[7]。升頻升壓起動技術(shù)能使無刷直流電動機(jī)在一定速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)空載、半載以及帶一定負(fù)載慣量情況下可靠起動，不存在反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，能夠滿足大多數(shù)場合的應(yīng)用要求，所以本文采用升頻升壓起動技術(shù)。
升頻升壓起動法轉(zhuǎn)速變化示意如圖3所示。盡管該方法也分為轉(zhuǎn)子預(yù)定位、加速及切換三個(gè)過程，但其加速階段與通常采用的三段式起動技術(shù)中的方
法不同。采用升頻升壓法起動時(shí)，給逆變器供電使電機(jī)獲得一個(gè)確定的工作狀態(tài)并維持一定的時(shí)間，定子繞組產(chǎn)生的合成磁勢吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與之垂直的位置，從而能夠知道一個(gè)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置，這就是轉(zhuǎn)子的預(yù)定位階段，如圖3中曲線1所示。之后，依據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的要求，依次改變逆變器功率管的觸發(fā)導(dǎo)通順序，使逆變器的換向頻率逐漸增加，與此同時(shí)逐步提高PwM驅(qū)動信號的占空比，使無刷直流電動機(jī)的定子電壓逐步升高，從而使電機(jī)逐漸加速。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到一定值后，繞組反電勢檢測電路能夠獲得比較可靠穩(wěn)定的輸出，則可以結(jié)束升速過程，如圖3中曲線2所示。同時(shí)開始檢測外同步信號與反電勢檢測信號之間的相位差，當(dāng)該相位差連續(xù)多次小于等于某一闖值時(shí)，由軟件完成切換工作。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用反電勢積分過零比較的方式來實(shí)現(xiàn)無刷直流電動機(jī)的元位置傳感器工作，軟件設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分：
(1)輸入捕捉中斷服務(wù)子程序。當(dāng)反電勢積分過零檢測電路的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，控制器的捕捉引腳發(fā)生中斷，調(diào)用輸入捕獲中斷服務(wù)子程序。在此中斷服務(wù)子程序中，讀取I／O引腳，獲得反電勢檢測電路的輸出，從而提供一個(gè)換相基準(zhǔn)信號；該子程序通過捕獲信號計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，不僅為轉(zhuǎn)速PID控制提供依據(jù)，而且根據(jù)得到的轉(zhuǎn)速查找相位補(bǔ)償表，得到相應(yīng)的補(bǔ)償時(shí)間。圖4為該中斷服務(wù)子程序的流程圖。
(2)PwM中斷服務(wù)子程序。每一個(gè)PwM周期都產(chǎn)生一次中斷，執(zhí)行P1D控制算法，使系統(tǒng)的調(diào)速精度更高。同時(shí)，由于PwM控制信號的頻率一定，計(jì)算出每次PwM中斷的周期時(shí)間，用該時(shí)間實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償。其補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)原理如下：檢測到輸入捕捉標(biāo)志，則在每個(gè)PwM中斷中補(bǔ)償計(jì)數(shù)器不斷累加，直到與補(bǔ)償時(shí)間相等，則立即進(jìn)行換相，否則不予換
相。在PWM中斷服務(wù)子程序中實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)換相的平穩(wěn)性。圖5為該中斷服務(wù)子程序流程圖。
(3)系統(tǒng)主循環(huán)。主循環(huán)主要完成一些次要任務(wù)，如讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果、通過串行通訊收發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)與外界信息的數(shù)據(jù)傳輸、控制狀態(tài)切換等。這些任務(wù)在主程序中查詢實(shí)現(xiàn)，能夠減少中斷事件的發(fā)生次數(shù)，使系統(tǒng)的控制特性更為平穩(wěn)。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
采用一臺帶位置傳感器的無刷直流電動機(jī)進(jìn)行測試。電機(jī)極對數(shù)為2對極，額定轉(zhuǎn)速8000 r／min，工作電壓310 V，繞組相電阻22．35Ω，繞組相電感0．58 mH。首先將反電勢檢測電路的輸出信號與霍位置信號進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6所示，由于相位偏移的存在，使得反電勢檢測電路的輸出與霍爾位置信號之間的相位關(guān)系隨轉(zhuǎn)速變化而變化，此時(shí)電機(jī)工作的效率不高，工作電流較大。微控制器采集到反電勢檢測電路的輸出信號后，進(jìn)行相位補(bǔ)償后再實(shí)現(xiàn)繞組換相，補(bǔ)償后的結(jié)果如圖7所示�？梢娧a(bǔ)償后的信號已經(jīng)能夠較好的與霍爾位置信號進(jìn)行對應(yīng)，能夠作為繞組換相的依據(jù)。
由于電機(jī)工作在無位置傳感器條件下，而當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時(shí)無法使用反電勢積分法實(shí)現(xiàn)可靠換相，因此本文采用了升頻升壓法來起動電機(jī)并使電機(jī)加速到一定速度，初始起動轉(zhuǎn)速為120 r／min，經(jīng)過實(shí)際不斷的測試與修改，使得系統(tǒng)在電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到300r／min時(shí)已經(jīng)能夠順利實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換，拓寬了無位置傳感器時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速工作范圍。采用升頻升壓法電機(jī)起動過程如圖8所示。
5結(jié)語
反電勢積分法降低了檢測電路對開關(guān)噪聲的敏感性，能夠方便地實(shí)現(xiàn)電流超前換相控制，使逆變器換向時(shí)間能夠跟隨轉(zhuǎn)速的變化進(jìn)行自動調(diào)整。本文采用的反電勢積分法對無位置傳感器無刷直流電動機(jī)的控制，以及采用升頻升壓法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的外同步開環(huán)起動技術(shù)，已經(jīng)成功地應(yīng)用在空調(diào)壓縮機(jī)的控制當(dāng)中。
|
