李自成 程善美 秦實宏 蔡凱
(1武漢工程大學電氣信息學院，湖北武漢430073;2華中科技大學控制科學與工程系，湖北武漢430074)
摘要：在傳統(tǒng)的反電動勢過零硬件檢測 無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置方法的基礎(chǔ)上，利用檢測的任意麗路線電壓信號來實時計算相反電動勢過零信號，從而得到其過零點，再延遲30度電角度即為實際的換相信號.基于該反電動勢軟件計算法構(gòu)建了無刷直流電機無位置傳感器控制調(diào)速系統(tǒng)，仿真和試驗均表明：該系統(tǒng)能夠準確估算換相信號，具有較好的動、靜態(tài)特性和抗負載擾動能力。 關(guān)鍵詞：無刷直流電機；無位置傳感器；調(diào)速；數(shù)字信號處理器中圖分類號：TM 301.2：TM 33 文獻標志碼：A 文章編號：1673—6540(2010)08-0029-03
0 引 言
永磁無刷電機根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)和定子繞組形式的不同分為具有正弦波反電動勢的永磁同步電機和具有梯形波反電動勢的無刷直流電機兩大類一。一般采用三相六狀態(tài)120.導通方式，在一個電周期內(nèi)需要六個關(guān)鍵的換相信號，因此轉(zhuǎn)子位置檢測必不可少。通常采用三個霍爾傳感器來得到六個轉(zhuǎn)子位置信號。此外對于高精度的伺服控制領(lǐng)域，還需要光電碼盤來得到更高精度的位置和轉(zhuǎn)速信息。位置傳感器的使用無疑會增大電機本體的成本和體積，并降低系統(tǒng)運行的可靠性。因此，對無位置傳感器控制BLDCM調(diào)速系統(tǒng)的研究具有重要的實際意義.
目前，反電動勢法是轉(zhuǎn)子位置檢測的主要方法之一，該方法基于不導通相反電動勢過零點與換相位置相差30度電角度原理，一般通過硬件方式直接檢測不導通相反電動勢過零得到換相信號。本文通過檢測任意兩路線電壓，經(jīng)軟件計算，可得到不導通相反電動勢過零點，再延遲30度即為實際的換相時刻，從而實現(xiàn)BLDCM無位置傳感器調(diào)速系統(tǒng)。
1 反電動勢過零檢測原理BLDCM控制系統(tǒng)一般采用三相電壓源型逆變器，其主電路如圖1所示。
假設(shè)BLDCM三相繞組對稱，忽略齒槽效應和磁路飽和，不計渦流和磁滯損耗，不考慮電樞反應，氣隙磁場近似梯形波，以電機繞組中點n為參考點，電機三相繞組的相電壓方程可表示為
在三相六狀態(tài)120度導通方式下，每時刻只有兩相導通，如果忽略由于脈寬調(diào)制引起的第：相電流續(xù)流，以Vt1和Vt6導通為例，則a、b兩相電流大小相等，方向相反，c相電流為0,由式(1)可得：
2 無位置傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2為BLDCM無位置傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，控制器采用Microchip公司的高性價比數(shù)字信號處理器(Digital signal Processing,DSP)芯片dsPIC30F6010,主要負責電機轉(zhuǎn)子初始位置確定及起動加速控制策略，轉(zhuǎn)子位置的實時檢測和轉(zhuǎn)速的計算，電機實時控制等。逆變器采用三菱IPM模塊PM30CSJ060.
在上述硬件設(shè)計中，線電壓信號的獲取將直接影響無位置傳感器控制系統(tǒng)的性能。由式(5)、(6)可知，需要用電壓傳感器測量兩路線電壓Uab和Ubc，第三路線電壓Uca=一(Uab+Ubc)得劍，而電壓傳感器測量的信號中含有較多的PWM高頻噪聲信號。因此，需要濾波電路對電壓傳感器得到的信號進行處理后再送λ到DSP的AD轉(zhuǎn)換器通道，設(shè)計濾波電路時既要使高頻信號盡可能濾除掉，又要使相移盡量小。圖3為采用一階低通濾波器和二階低通濾波器串聯(lián)后得到的濾波電路。
3 仿真和試驗結(jié)果分析基于以上理淪分析，采用本文提出的轉(zhuǎn)子位置檢測方法對BLDCM無位置傳感器控制系統(tǒng)進行仿真和試驗。仿真基于MATLAB/Simulink進行整個控制系統(tǒng)的搭建，仿真中用到的電機參數(shù)如下：定子電阻2.875η，定子自感8.5mH,定子問互感1.6mH，電機極對數(shù)為4.圖4為給定轉(zhuǎn)速500r/min起動并在0.3s突加0.6N.m負載得到的轉(zhuǎn)速、電流和轉(zhuǎn)矩仿真波形，由圖可看出采用反電動勢法進行元位置傳感器控制時具有較強的帶負載能力。
試驗時分別進行了無位置傳感器控制和帶霍爾傳感器控制，并對兩者試驗進行了對比。圖5為給定轉(zhuǎn)速由400r/min突變?yōu)?600r/min條件下有位置傳感器和無位置傳感器控制得到的轉(zhuǎn)速波形.由于采用相同的PI參數(shù)，因此在轉(zhuǎn)速給定突變時，兩種控制方式下得到的實際轉(zhuǎn)速波形大體一致.
圖6和圖7分別為給定轉(zhuǎn)速1000r/min時，在有位置傳感器和無位置傳感器控制下突加負載得到的轉(zhuǎn)速和電流波形。采用無位置傳感器控制在突加負載時轉(zhuǎn)速變化要稍大于帶位器傳感器控制，但轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)波形要優(yōu)于帶位置傳感器控制，這主要是由于實際的霍爾傳感器安裝時本身就存在誤差，說明采用本文攔出的無位囂傳感器控制策略具有較強的抗負載擾動能力。
4 結(jié) 語：本文通過測量BLDCM的任意兩路線電壓來檢測反電動勢過零點，從而能準確獲得無刷BLDCM的轉(zhuǎn)子位置換相信號.該方法結(jié)構(gòu)簡單，無需虛構(gòu)電機中點，也不需要深度濾波電路，仿真和試驗結(jié)果均表明，采用本文提出的BLDCM無位置傳感器控制策略可以保證系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性，適用于通用的BLDCM調(diào)速系統(tǒng)應用場合。 |
