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无位置传感器无刷直流电机驱动设计

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:604


   摘要:文章提出了一种无位置传感器无刷直流电机驱动设计方案,重点阐述了位置信号检测和电机起动过程,并用仿真结果加以验证。

1常用的控制模式

   无刷直流电机以其高效率、结构紧凑、易维护等一系列优点得到越来越广泛的应用。但是,普通无刷直流电机需要位置传感器来执行换相和电流控制。从成本、可靠性等角度来讲,希望在电机上去掉这些传感器,即实现无刷直流电机的无位置传感器控制。而在正弦波磁通和梯形波磁通分布的无刷电机之闻.后者更适于进行无位置传感器控制,因为一个三相电机在任一时刻总是两相导通,而剩下一相则可作天然的传感器使用。由电机学知识可知,电机换相时刻与绕组反电势如图I所示:

   图l  电机换相时刻和反电势的关系

   由图1可以看出,换相点与电机反电势过零点问存在30°电角度的固定相移。检测反电势的一种常用的方法是测量电机三相绕组端部的电压,再通过积分器或低通滤波器来得到转子位置信息。如图2所示。测出的定子端部电压Va,Vb,Vc包含了PWM电路中产生的斩波信号,积分器不仅滤掉电压毛刺,还可以产生不受限于转子速度的换相信号。但是实际上,由于积分器的漂移不可避免,而且对于梯形波磁通分布的无刷电机来说,准确的定子电流换相是至关重要的,一个小小的相序错误可蹦带来严重的后果。因而实际多采用低通滤波器来处理端部电压信号。

    图2积分器方式的转子位置检测

   这种基于滤波器获得转子位置的方式依赖于转子速度,移相角度受EMF频率也受转速影响。低速时滤波器移相角较小,导致电机定转子磁势难以正交,会带来出力不足、转矩脉动和损耗增加等诸多问题。因此这种方法难以适用于较大的转子速度范围。

2控制策略

   每相反电势是以电机的中心点为参考点的,通常电机的中心点不是直接可用的。除用电阻网络构造出一个等电势点外,我们还可以通过恰当的PWM控制策略,直接从电机的端部得出反电势对地的电压值。

我们已知:电机在任一时刻总是两相导通,一相悬浮,对于三相桥式逆变电路,我们仅将PWM信号加在上桥,下桥臂在对应导通区间保持完全导通,不受PWM信号的影响。假设在某特定时刻,A相和B相导通,C相悬浮,A相上方的开关管由PWM信号控制,B相下方的开关管在这一状态保持全通,此时从C相端部测量V。如图3所示。

 图3反电势检测电路简图

   在PWM过程中,当A相上方的开关导通时,电流通过开关流进A相、B相;当开关断开时刻,电流通过Vd续流,在续流期问,C相没有电流,Vc测量值可以反映C相反电势EC大小,具体关系为: Vc=Ec+Vn    (1)

忽略二极管V压降,A相中有Vn=O—RI—Ldi/dt—Ea    (2)

忽略开关管Vmo压降,B相中有 Vn=RI+Ldi/dt—Eh     (3)

由式(2),(3)可以得出V= 一(Ea+Eb)/2因为Ea+Eb十Ec=0,有Vn=Ec/2  所以  Vc=Ec+Vn=1.5Ec  (4)从以上等式,可以看出在PWM的关断区问测量的Vc正比于Ec且Vc信号不含开关噪声,并且以地线而不是中心点为参考点,我们可以不用低通滤波器就得到精确的反电势,据此得出反电势的过零点。求反电势的过零点的时候,我们不必关心EMF幅值,可以把它们限制在5V左右,以便于直接输入一个多路选通器,我们根据电机换相情况选择相应的一相信号输入比较器。在PWM的OFF区间与Vref参考电平(接近OV)比较。PWM的ON区间开始时,其上升沿将锁定比较器输出,得到过零点的信息。原理图如图4所示。

    图4反电势过零点鉴别电路

   从图1可知,换相点通常发生在反电势过零点后30°电角度,借助于DSP内部计数器,可以方便地确定换相点.并且由于DSP可编程特性,系统具有很大的柔性,比如通过软件调节过零点和换相点之间的时间,以补偿高速情况下电机定子电感带来的延迟。这就扩大了它适用的转速范围。

3电机起动

   无位置传感器无刷电机的自起动问题一直是个深受关注的问题。当电机静止时,无法检测到反电势,因而需要特定的起动程序。我们这里采用三段式方法,步骤为:在电流控制器保证电流不超过最大值的前提下,将电机任意两相导通一段时间,转子会到达与导通状态对应的位置.然后按照指定电机转向将触发信号输给逆变器功率器件基极,调节每状态的延迟时间,同时通过PWM提高外加电压,使电机加速,以得到有效的转子位置信号,此时的电机处在他控式同步电机运行状态。最后要用转子位置信号切换同步信号,这是三段式起动重要的步骤。切换时必须满足以下条件:首先根据监测到的反电势所确定的触发信号时序应与已确定的逻辑导通时序对应;其次应尽量使电机定子磁势和转子磁势接近正交以得到单位电流转矩的最大值。而他控式同步电机运行状态下,转子磁势通常平均滞后定子磁势90.一ξ(ξ应大于0),因此在切换前有必要调节ξ接近0。由于ξ的存在,转子位置信号超前同步信号δ,逐渐减小外加电压减小δ至可接受范围,再实施切换。过程如图5所示。

   图5转子位置信号切换同步信号

系统硬件框图如图6。

    图6系统硬件框图

4仿真结果

   为了便于用MATLAB仿真,系统仿真模型中电机用基本电路元件组成,电机每相分解为R—L电路串联一个电压源,这里用有1到9次奇数次调和函数构成的电压源模拟反电势,电机参数设定为额定36V,每相电阻0.388Ω,电感2.28 mH,每相互感0.56mH,2对极,转子惯量0.002kg•㎡,反电势常数和力矩常数都取为0.4 。图7表现了电机从起动到转速稳定的过程中电流与转速的变化情况。    

    图7电机转速与相电流

   由图8可以看出,反电势过零点和电机电流换相点间相差约30°。

    图8反电势过零点和电机电流换相点的关系

5结论

   通过上述方法,借助于适当的PWM控制策略和DSP的功能,可以得蛭有效的转子位置信息,完成正确换相,同时使电机能应用于更宽广的速度范围。

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