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无位置传感器BLDCM起动方法的改进

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:736

   摘要:分析了常规无位置传感器无刷直流电动机(BLDCM)起动过程中电流过大的问题,引人电流闭环对无位置传感器BLDCM起动方法进行了改进,解决了起动时电流较大的问题。对电流闭环起动方法加速过程以及稳态运行时的仿真研究表明,该改进措施不仅可以解决起动电流过大的问题,而且具有较好的稳态和动态响应速度。    

0引  言

   近年来,随着稀土永磁材料的发展,永磁无刷直流电动机(以下简称BLDCM)得到迅速推广。因其体积小、结构简单、可靠性高、易于控制等特点,BLDCM受到普遍关注,广泛应用于伺服系统、医疗器械以及家用电器等国民经济的各个方面。传统BLDCM控制系统的位置传感器带来诸多不便,因此,现代BLDCM控制系统多采用无位置传感器控制技术,目前比较成熟的无位置传感器运行控制方法有多种,但反电动势检测法是最简单且实用的方法。但是由于无刷直流电动机在静止或者低速时反电动势为零或者很小,无法用来判断转子位置,因此反电动势检测法需要采用特殊的起动方式。进而,需要寻找一种有效的起动方法,使电动机在静止状态下可以起动。而目前均采用开环三段式起动。采用开环起动方式时,起动电流较大,起动电流大约为稳态电流的5倍,会使电机的过流保护装置动作,甚至不能起动。较大的起动电流会导致较大的起动压降,影响其他用电设备,因此必须采取措施限制起动电流的大小。针对以上问题,

本文提出了一种实用的无位置传感器BLDCM外同  步单闭环(电流环)起动、自同步双闭环稳定运行的  方法,此方法起动效果较好,不影响稳态和动态运  行。仿真结果验证了此方法的可行性。      

ØBLDCM控制原理  

 图1  BLDCM反电动势和电流曲线

BLDCM要采用外同步的方法进行自起动、加  速、直到电机产生的反电动势足够大,再切换到电机的自同步运行方式,这个过程称为三段式起动技术。本文以两相导通星形三相六状态为例,分析BLDCM数学模型及特性,

BLDCM反电动势和相电流关系如图1所示。为了便于分析,并作如下假设:

   (1)三相绕组完全对称,气隙磁场为方波;

   (2)忽略换相过程和电枢反应等的影响;

   (3)磁路不饱和;

   (4)不计涡流和磁滞损耗。

则三相绕组的电压平衡方程可表示为:  (1)

                                              (2)

                                       (3)

                                                   (4)

式中:u、i、e分别为定子绕组相电压、相电流和相感应电动势列向量;r、L和M分别为对角元素皆为r、L、M的对角阵;r、L、M分别为绕组相电阻、自感和相间互感;p为微分算子;ω为机械转速;Te为电磁转矩;TL为负载转矩;B为阻尼系数;J为转动惯量常数。式(3)中,“一”和“+”对应电机正转和反转。E为梯形渡反电动势幅值,K为电动机感应电动势系数。

  图2无位置传感器BLDCM控制系统原理框图

由以上描述的BLDCM数学模型,建立BLDCM原理框图,如图2所示。由此图可知,BLDCM在稳态运行时,采用转速、电流双环控制。速度调节器(ASR)采用Pl算法,速度给定信号n*与反馈信号n送给ASR,其输出作为相电流信号的参考幅值is*通过位置检测器输出的转子位置确定相电流的逻辑关系,从而由定子绕组电流发生器产生三相参考电流ia*、ib*、ic*与电流信号的反馈值ia、jb、ic送给电流调节器(ACR),采用滞环控制,形成PWM调制波,控制逆变器输出电压。反电动势过零检测单元通过检测BLDCM的端电压,确定过零点,通过位置检测器得到转子位置信号,控制相电流逻辑和逆变桥导通逻辑。对此原理图仿真建模,得到的三段式起动A相电流如图3所示,此方案中的稳态电流为9 A。由图3可知,起动电流为39.5 A,大约是稳态电流的4.3倍,即起动电流较大,为了确保系统的可靠性,所以必须采取措施限制起动电流。为此,本文提出了一种新颖的起动电路,将在下节详细讨论。

    图3 三段式起动电流曲线

2  电流闭环起动技术

2.1电流闭环起动原理

   本文提出的电流闭环起动技术,解决了起动时电流较大的问题,确保了控制系统的稳定性。整个系统原理框图如图4所示,它是在图2的基础上在&单元与逆变器单元之间增加了电流闭环起动和信号选择单元,如虚线框内所示。本方案采用“连续两次”定位的方法,确保定位成功。根据定位后的转子初始位置,仿真电机在双闭环控制条件下的运行过程,把此时的仿真结果作为给定的加速曲线nref设入电流闭环起动电路。对于加速过程,它的原理如图5所示,对于给定加速曲线nref通过位置检测器产生BLDCM转子相应的位置,从而产生逆变桥的逻辑开通信号,保证在任意时刻,只有两个管子同时导通。通过位置检测器得到的BLDCM转子位置,可以确定定子三相电流的逻辑关系,因此将给定电流曲线iref经过定子电流发生器,产生三相定子参考电流ia*、ib*、ic*,与反馈的三相定子流ia、ib、ic,产生电流误差信号△i,该误差信号经过滞环PWM控制器,产生适当的基极驱动信号,并且与逻辑控制

信号进行与操作,送与逆变桥作为各基极触发信号。通过调节给定电流曲线的形状和大小,即调节规律为:在某一时刻,当n<nref时,增加此时刻iref值,反之,则减小iref值,经过多次试验调节,使BLDCM转速n与给定加速曲线nref相吻合,达到闭环起动的目的。与传统开环起动相比较,该起动方法可以确保起动电流较小,保证整个控制系统起动的可靠性。

  图4  电流闭环起动系统原理框图

  图5电流闭环加速起动原理框图

   电机起动加速到足够高的速度以后,就能够准确地检测到反电动势的过零点信号,则可以从外同步运转切换到根据反电势过零点信号来运转,即自同步运转,此功能由图4中的信号选择电路来实现,

2.2电流闭环起动电路仿真

   本文基于Matlab/Simulink建立了BLDCM电流闭环起动系统的仿真模型,仿真参数设置:r=3Ω,L=20 mH,M=6.7 mH,J=5×l0¯³kg·㎡,阻尼系数B=13.6×10N-m·s/rad,感应电动势常数Ke=0.065 V·s/rad。转速PI调节器的参数:Kp=20,Ki=100。电流滞环PwM控制器的环宽为O.05。逆变器直流电源:Udc=300 V。

   在电机定位基础上,进行电流闭环起动的仿真。图6为在给定的加速曲线下,不同起动方式对应的转速曲线,由此图可知,本文提出的电流闭环起动方法所得到的实际转速曲线,与三段式起动转速曲线相比,能更好地跟踪给定加速曲线,切换之后(仿真中切换速度取460 r/mjn)电机能迅速地达到稳态,不出现振荡现象。图7为不同起动所对应的A相绕组电流,从图7可以明显看出,电流闭环起动的最大电流只有20 A,大约为开环起动电流的l/2,即此方案解决了起动时电流较大的问题。

                                  

图6不同起动方式对应的转速曲线                   图7不同起动方式对应的起动电流

2.3稳态运行仿真

   BLDCM系统负载转矩LL=1 N·m恒定,在t=2 s时刻,转速由600 r/min阶跃为520 r/min,可以得到系统转矩和转速、A相电流和A相反电动势波形分别如图8和图9所示。由仿真波形可知,系统速度响应快速且稳定。转速超调量σ=0.11%,上升时间tr=0.46 s,在仿真时间t=2 s时刻,转速发生阶跃,而系统仍能迅速达到稳态,这表明系统具备良好的快速响应和动态性能。图9为A相电流和反电动势波形,由该图可知,系统稳态运行时,具有

理想的电流和反电动势波形。

                    

(a)电磁转矩曲线      (b)转速响应曲线              图9  A相电流和A相反电动势波形

图8电磁转矩和转速响应曲线                          

3   结语

   本文提出了一种新颖的无位置传感器BLDCM的电流闭环起动方法,对此方法进行了分析和建模,并用仿真结果证明了理论的正确性。此方法解决了起动电流较大的问题,提高了系统的稳定性和可靠性,具有一定的理论研究价值和实际应用价值。

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