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一种改进的无刷直流电机转子位置估计方法研究

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:1008

摘  要:在分析无刷直流电机位置估计原理的基础上,提出了一种改进的基于反电动势过零检测的转子位置估计方法;通过检测电机断开相端电压获得反电动势的过零点,进而获取电机位置信息。其特点是无需重构电机中点,检测电路简单,适用于任何PWM占空比,且易于在数字信号处理器中实现。实验结果验证了方法的有效性。

0  引  言

   目前通过间接检测转子位置实现无位置传感器控制成为无刷直流电机控制领域的研究热点。最常用的转子位置估计方法是反电动势法。张相平等人提出了通过测量断开相绕组端电压和电机中性点电压之间的关系来间接获得反电动势。这种方法必须重构电机中性点,而且滤波电路的使用也会导致检测到的反电动势过零点信号产生相移。S.Ogasawara等人提出通过检测逆变器续流二极管的导通来间接获得反电动势过零点,其检测电路需要6路独立的电源供电,增加系统的成本。J.shao D.Su G J等人提出的控制方法与文献[3]类似,但该方法反适合某些特定的PWM控制,且不适合高转速场合。张磊等人提出通过比较电机断开相绕组端电压和逆变器直流环中点电压的关系,直接检测到断开相绕组的反电动势过零点,从而获得转子位置信息。但是该方法只对一相绕组的反电动势进行检测,通过软件延时得到6个离散的换向信号,在转速变化较大的场合有很大的局限性。本文提出了一种改进的转子位置检测方法,即通过检测断开相的端电压来获取反电动势的过零点,并且根据PWM占空比的变化情况选择不同的判据获取反电动势的过零点,因此逆变器开关管可以工作在任意占空比下。

1转子位置检测原理

对于三相星形联接、两两导通、六状态无刷直流电机,现以A相正导通、B相负导通、C相断开为例说明本文提出的转子位置检测原理。此时无刷直流电机的电压方程为:

  (1)

对于三相星形绕组而言,此时有:

  (2)

   (3)

从而断开相电压为:  (4)

   在PWM波为高电平(S1和S6均导通)期间,忽略各开关管的导通压降,有:  (5)

将(5)式变形后代入式(4)有: (6)

   类似可以推导PWM波为低电平(S1关断,S6导通),即电机绕组处于续流阶段时有:Uc=e。    (7)

   由式(6)和式(7)可以看出,当反电动势过零点时,此时断开相的电压为VDc/2(PWM为高电平)或者0(PWM波为低电平)。从理论上来讲,无论在PWM波为高电平或者低电平时对Uc进行采样,然后用VDc/2(PWM为高电平)或者0(PWM波为低电平)作为判据,都可以准确地得到反电动势的过零点,从而得出电机的换向时刻。但是在实际控制中,当电机低速时,PWM的占空比很小,如果这时PWM为高电平时刻进行采样就很可能因为允许采样时间太短而出现较大偏差,同理,当电机在高速运转时若在PWM为低电平时进行采样同样是不太可行的。针对这种情况,本文提出当

PWM的占空比高于50%时,在PWM为高电平时对断开相电压采样,以断开相电压VDc/2作为反电动势过零的判据,反之当PWM的占空比低于50%时,则在PWM为低电平时以断开相电压等于0作为反电动势过零的判据。

2  实验结果

   为了检验本文提出的方法的有效性,以数字信号处理芯片TMS320LF2407A为处理器对电机进行实验。实验系统框图如图1所示。其中电机的主要参数为:UN=36 V;额定转矩TN=O.4 N·m;额定转速nN=3 600 r/min;相电阻Rs=0.68 Ω;有效电感Ls=1.5 mH;反电动势系数Ke=0.07 V/(rad/s);转动惯量J=1.57×10kg·m。电动机的负载为直流发电机。

    图1实验系统框图

   图2~图5给出了PWM占空比D=95%和D=5%两种情况下的电机实验曲线。图2和图4分别是电机在两种占空比下的相电流与相电压曲线;示波器通道1为相电压曲线,通道2为相电流曲线。如图所示,在两种占空比下电机的相电流和相电压都是同步的,这就克服了传统的方法中滤波电路带来的移相的缺陷。为了进一步说明问题,图3和图5给出了两种占空比下分别采用本文提出的位置估计方法所计算的位置信号和采用霍尔传感器控制时获得的位置信号的对比情况;其中示波器通道1为相电压曲线,通道2为本文方法获得的位置信号,通道3为采用霍尔传感器获得的位置信号。从图中可以看出,无论占空比是高还是低,采用本文提出的方法得到的换向信号与霍尔传感器输出的换向信号完全一样,同时也进一步说明本方法具有宽广的转速适应范围。

 图2  占空比为95%时电机的相电压和相电流曲线

 图3  占空比为95%时位置信号的对比曲线

 图4  占空比为5%时电机的相电压和相电流曲线

    图5  占空比为5%时位置信号的对比曲线

3  结  论

   本文提出了一种新的基于反电动势过零检测的无刷直流电机转子位置估计方法。理论分析和实验结果表明:本方法无需重构电机中性点,无需移相,通过对瞬时检测的三相端电压进行简单滤波比较后,在任意占空比下都能获得满意的控制效果,且该方法易于在数字信号处理器中实现。新方法在无刷直流电动机中具有一定的理论和实用价值。

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