北京永光高特微电机有限公司
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无刷直流电动机转子位置的估计方法

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:161

摘要:无刷直流电动机的正确换相和控制依赖于正确的转子位置信息,但位置传感器的加入增加了电机的成本,

降低了运行的可靠性。文中比较了现有的无位置传感器电机转子位置的估计方法及启动方法,并分析了其优缺点。

关键词:无刷直流电动机;位置估计;方法

1  引  言

   永磁无刷直流电动机具有优良的调速性能、高转矩惯量比和高效率等优异性能,其应用从最初的军事工业,向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。无刷直流电动机需要采用转子的位置信号作为控制逆变器功率管的换相信号,实现电机的无刷运行,同时也为转速闭环控制提供转速信息。传统的位置检测方法是采用电子或机电式的位置传感器来获得所需的转子位置信号。如磁敏式的霍尔位置传感器、光电编码器、旋转变压器等。

由于各种传感器对环境条件比较敏感;传感器的引入,增加了电气连接线数目,使得整个系统的可靠性降低,有悖于电机小型化的发展趋势,也增加了电机制造的工艺要求和成本,潮湿和震动劣化了传感器的性能。由于位置传感器固有的上述缺点,20世纪70年代,无位置传感器技术开始成为研究的热点,已经提出了许多方法,文中将对文献所提出的方法进行了分类、对比和分析,并给出了其适用范围和局限性。

2  方法介绍

  按照定子绕组反电动势波形的不同,也就是磁链分布形式的不同,直流无刷电动机可分为方波直流电动机(BLDCM)和正弦波直流电动机(PMSM),PMSM是由三相正弦电流驱动的,而BLDCM则是由一序列的方波电流激励的,因而它们对转子位置信息的要求不同:在每一个周期中,PMSM需要连续的转子位置信息;而BLDCM则只

需要6个换相时刻即可,这就使得一些方法只适合其中的一种类型的永磁直流电动机。文中对现有的各种方法加以介绍。

 2.1反电动势法

由于定子绕组的反电动势随转子位置的改变而变化,利用在定子绕组中感应出的反电动势,可以得到转子的位置。这种方法一般需要在电机的三相端电压进行检测或者计算出反电动势,从而得到转子的位置信号。该方法在方波直流电动机中最为常用,因为在BLDCM中,任何瞬间3个绕组中只有2个导通,未导通相绕组的端电压即为反电动势信号。针对这一特点,可以利用未导通相的端电压来检测转子的位置。其中一种方法是将检测到的反电动势信号的过零点直接移相30°,对逆变器的6个功率管进行控制,称为直接反电动势法,直接法在换相时引入较大的干扰;间接反电动势法是利用检测的端电压经电压方程解出反电动势,但由于方程中有电流微分项,易引入噪声,一般采用低通滤波器对信号进行处理。文献[3]介绍了间接反电动势的典型方法:将三相端电压经过低通滤波器,延时90°电角度.再经比较电路得出触发逻辑信号,控制逆变器的功率管的开关。为了克服开关噪声对电机的性能的影响,文献[4]提出了一种反电动势积分法,该方法对开关的噪声不很敏感,且可以自动调节逆变器的开关时刻以适应转子速度的变化,较过零检测方法有明显的改进。

由于电机的转矩对定子电流和反电动势之间的相位关系特别敏感,一个小的换相相位误差能引起比较大的转矩波动,同时本应截止相的导通电流将引起额外的铜耗。为了减小转矩波动、避免附加损耗,无刷直流电动机需要定子电流的准确换相信息,而低通滤波器在电机低速时延时不足30°,致使电机提前换相,使系统控制的可靠性降低,严重时甚至导致电机失步,因而该方法在低速时误差较大,且每安培的输出转矩和效率都随速度的降低而减小。

 文献[5]结合反电动势积分法和滤波方法,给出了一种比较经济的校正转子位置的方法:端电压经电阻分压,再对其进行积分,以进行滤波并产生所需要的相移。检测积分输出的过零点,在每一个电周期得到两个换相时刻,再将所得信号送给微处理器,检测出信号之间的时间间隔Tk,在两个换相时刻之间的1/3Tk、2/3Tk时刻插人两个换相信号;同时通过换相信号,可以得到转速,也就是换相频率,针对不同频率引起的相位延迟误差的大小,对移相网络进行恰当的补偿,使之在高速和低速时都具有相同的移相角度,实验表明与未补偿的方法比较在低速范围(100~1 500 r/min)有较好的经济运行性能。

 文献[6]利用非导通相反电动势经逻辑处理后得到一脉冲列,再采用PLL锁相技术将脉冲列倍频,通过倍频电路计数器的记数值可以精确的得到转子的位置。该方法实际上是一种直接反电动势方法,可得到连续的转子位置信息,也适用于PMSM,对逆变器的输出端的开关信号敏感,文中验证可在150~1 500 r/min稳定运行。

  反电动势检测法虽然可以得到转子的位置或换相时刻,但反电动势在低速时比较小,很难检测到反电动势;静止时无感应电动势,因此没有自起动能力,该方法在低速和启动时失效,必须设计专门的起。,动电器,待电机启动达到一定的转速后,再切换到由  反电动势控制换相时刻,实现无刷运行。

2.2  3次谐波检测法

  由于方波电机的反电动势为典型的梯形波,它包含了基波及其高次谐波分量,通过对电枢三相相电压的简单叠加,反电动势的基波分量和其它高次谐波分量由于相位互差120。而相互抵消,只有3次谐波及其奇数倍谐波由于同相而叠加,可以从中提取反电动势的3次谐波分量,以检测转子的位置。该方法只适合于星接连接有中性点引出的方波电机,利用电机中性点和并联于机端的三相星型网络的中性点来得到反电动势的3次谐波分量;在没有中性点引出的电机,可以利用直流侧中性点和电阻网络的中性点来获得反电动势的3次谐波分量;然后对获得的信号进行滤波,滤掉3次谐波的高次分量,由于高次分量的最低为9倍的基波频率,对滤波器要求低。因而它比反电动势直接过零比较有更宽的运行范围。与反电动势方法相同,该方法低速时很难检测到3次谐波电压,且需要特殊的启动方式。

2.3相电感检测方法

 凸极永磁电机的定子绕组电感随转子位置的变化有较大的改变,定子电感是转子位置和相电流的函数,利用这一点就可以估计转子的位置。该方法可用于载波模式,其显著优点是在反电动势很小甚至为零的低速和静止情况下,都具有很好的可靠性。但是,电流的变化率和转子位置之间的关系比较复杂,且在高速时反电动势对定子电流有较大的影响,产生无法忽略的误差。

文献[9]介绍了一种自校正的转子位置估计方法——电流注入法:在定子绕组中注入一个微弱的高频交流诊断信号,通过计算d轴和q轴定子电感的差值来估计转子的位置,实际上电流注入法也是一种电感检测方法。该方法对转子位置的估计不受电机参数、转速及运行状况的影响,但由于机械的或磁的结构不对称会带来位置估计的误差,而转子位置角的微分作为速度信号,就引入了转速的周期性误差。文献[9]基于模糊控制和神经网络技术,对估计出转子位置进行了自动校正。虽然电机的特性参数不尽相同,该方法都可以对估计出的转子位置角进行自动校正。为了避免测量过程中旋转的影响,电压脉冲的宽度要足够窄。但在高速时,由于计算时间的影响,其校正精度受到限制。文献[10]通过对由MRAS方法获得的位置角和角速度的估计值与电  流注入法获得的转子位置值进行比较,通过补偿来校正差值。

   电流注入法对凸极电机或有一定电感变化的电机适用,静止时,不用轴的摆动和转动,通过电流注入法可以估计出转子的初始位置,旋转时,既使在低速情况下,该方法都可以获得准确的转子位置角,实现无刷电机的稳定运行,但在高速和大电流时存在其局限性。

 2.4逆变器开关状态监视法

   该方法是通过逆变器中的电流通路来检测转子的位置的。由于在BLDCM中,任何瞬间3个绕组中,总有一相处于断开状态,文献[11]通过监视反并联于功率管上的续流二级管导通与否,每60°电角度获得一个转子位置信号,但得到的转子位置信息超前下一个换相时刻30°,因而逆变器的换相信号由移相器给出。该文在每个功率管120°导通期间的前半段采用载波控制,实验表明,该方法在45~2 300 r/min可有效运行。该方法是通过监视功率管的导通与否,因而对连续导通的正弦波电机失效,同时它需要附加检测电路、特殊的载波方式及其他方法以起动电机,因而其应用受到限制。

 2.5假想坐标系法    

   电机的方程可以用与转子同速旋转的d一q坐标系表示。由于在d一q口坐标系下实际电机的转子位置未知,可以假想一个用于估计的旋转坐标系γ一δ以代替d—q坐标,在该假想坐标系下对电机进行控制,在任何瞬间它与d—g坐标系有位置角差,这也就是转子位置估计值与实际值之差,这个角差的存在使得实际状态量(如电流电压)与估计的状态量也不尽相同。文献[12]、[13]以电流作为被监视的状态量,用估计的状态量计算出在γ一δ坐标系下的模型电流,由模型电流与实际电流的差别来估计在两个坐标系下转子位置的差值,利用这个差值对转子位置进行修正,得到实际的转子位置。文献[14]利用瞬 时功率作为检测量,从瞬时功率的差值可以估计出速度的误差,这样就可以从模型电机的速度和速度的误差计算出电机的实际速度。同样模型电机的位置通过估计的位置误差而获得。但由于瞬时功率与转子速度成比例,因而在低速时很难用这种方法来实现对转子位置的准确测量。

   假想坐标系方法是针对正弦波电机而提出的,但它同样适合于方波电机。但是模型电机与实际电机参数的误差,会影响估计的准确性。在静止时失效,它需要特殊的起动方法。

2.6观察器

   近年,随着现代控制理论的发展、应用及DSP的迅速发展,观测器方法也得到广泛应用。滑模观察器对干扰(包括测量噪声)具有较强的鲁棒性,被应用于无刷直流电动机转子位置的估计,文献[15]采用非线性方程,以静止α—β坐标系下的定子电流作为状态变量,建立了包括参数变化等扰动在内的状态方程,构造一个滑模观测器.来实现圆柱型转子的无位置传感器无刷直流电动机的控制,并分析了由于参数变化引起的估计误差,提出了一种参数调整方法。但是由于它采用非线性模型,存在稳定性问题。文献[16]由于采用电机的线性模型,在滑模模式下观察器的误差方程得以简化,转子的位置较易获得,且其稳定性容易得到保证。采用该方法估计出的转子位置对转子速度和参数差异具有较强的鲁棒性。

   文献[17]为了利用现代控制理论,将电机模型方程中的非线性量——载有位置和速度信号的反电动势看成是干扰信号,就可以获得无刷直流电动机的线性方程,即可利用干扰观察器和自适应的速度来估计反电动势,从而得到转子的位置。该方法的稳定性是可以保证的。

   观察器方法,可以在较大运行范围内实现对电机转子位置和速度的精确估算,但它需要复杂的估计技术,且需要特殊的启动方法。

2.7卡尔曼滤波法

    对于具有随机干扰的非线性系统,卡尔曼滤波器是最优的递推估计器,文献[18]以α一β坐标系下的定子电流iαiβ、转子角速度叫和位置口作为状态变量,建立系统的扩展状态方程,这样电流的导数与电流、电压呈线性关系。它采用了特殊的算法,并将舍入误差和截断误差也计入到系统噪声,该算法可用于位置和速度的实时估计。扩展卡尔曼滤波器一般计算量大,对系统参数敏感以及需要初始位置信息,这些缺点阻碍了它的实际应用。

    除了上述几种方法外,还有一些其它方法。如文献[19]、[20]提出了一种估计圆柱型转子位置的方法,它通过贴于圆柱型转子表面的非磁性导电材料,使圆柱型转子电机的自感随转子的位置而改变,利用定子绕组高频开关工作时非磁性材料上的涡流效应,使开路相电压的大小随转子位置而变化,从而可通过检测开路相电压来判断转子位置,该方法完全抛弃了反电动势的利用,可以实现未知负载的无位置无刷电动机的起动和低速运行,但该方法需要特殊的电机,对电机的制造工艺提出很高的要求。此外,随着数字信号处理器的发展,硬件厂商开发出了无位置传感器直流无刷电动机的专用控制芯片,利用这些芯片,设计者可以方便的设计出适合自己的控制系统,且可靠性高,如文献[21]、[22]中介绍的ML4425,文献[23]中介绍的TMS32030等,但其成本较高。

3低速和起动

   除电流注入法外,其它方法在电机静止或极低速时,估计出的转子位置误差较大甚至根本不可用。传统方法是采用定位起动,即预先对A相绕组通直流电,使电机转子定位于磁极中心线与A相绕组轴线重合的位置,再使B相绕组通电,转子磁极中心线将从A相绕组轴线向B相绕组轴线位置转动,在这个过程中定子绕组中感应出电势,选择合适的切换时机使电路转换到电势换相工作状态,即实现了电机的起动。该起动方式实现比较简单,但对切换时间要求较严,一般适用于电机空载起动。当电机惯量不同或带一定负载起动时,切换时间需要调整,否则可能造成起动失败或电机反转现象。文献[24]采用升频升压同步起动方式,保证带一定负载时可靠起动,对切换时间没有严格要求,当电机转速达到一定数值后,经逻辑电路将电机切换到无刷直流电机运行状态。

   文献[25]、[26]介绍了一种较为通用的方法。它先给静止的定子绕组注入幅值恒定的高频正弦测试电流,测算出定子的电压。由于电压向量在空间上呈椭圆形分布,其短轴即为实际转子的位置,因此观察电压的幅值即可检测出转子位置,再用快速傅立叶变换(FFT)算出相位延迟角,最后根据线圈中感生的2次谐波分量的方向确定磁极的极性。这种方法的误差在±10。电角度内,且不管任何种负载条件下,电机均可获得最大起动转矩,该方法实际上是一种电流注入法。文献[27]提出了一种检测无位置传感器开关磁阻电机起动前转子初始位置的电流定位法,即同时向电机两相以上的绕组注入一定幅度的测试脉冲,利用各相测试电流与定子电感和转子位置的关系,确定转子初始位置以及相应初始导通相,从而实现转子处于任何位置时的无反转起动,对不允许转子反转的某些应用场合具有较大的实用价

值。

4  结  语

   介绍了现有的各种无位置传感器无刷直流电动机的位置估计方法及起动方法,各种方法都有其特点、优点和局限性,要针对电机的运行环境和负荷情况来选择合适的方法。可分为三大类:第一类方法为波形检测法,包括反电动势方法、3次谐波法和假想坐标系方法;第二类方法为磁通法,包括电感法和电,流注入法,这种方法在速度的估算中容易引入量化噪声,且对估算磁通的校正问题较难解决;第三种方法是利用现代控制理论、基于DSP等硬件的观测器方法和卡尔曼滤波器,使得对电机转子位置和速度的估算可在较大运行范围内达到并保持较高的精度,是今后的发展方向。

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