北京永光高特微电机有限公司
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无位置传感器无刷直流电机位置检测技术的研究

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:132

摘要:对反电势过零点法和反电势3次谐波法等几种位置检测方法的原理进行了分析和仿真,并对其优缺点进行了比较。

L   引  言

   无刷直流电机大多以霍尔元件、光电码盘或其它位置检测元件作为位置传感器,但当电机的尺寸小到一定程度时,使用位置传感器的弊病就比较明显。因此,在小型和轻载起动条件下,无位置传感器无刷直流电机成为理想的选择。目前这种电机被广泛地应用于空调、洗衣机等。

   除了在电机上安装霍尔元件、光电码盘等装置直接检测电机转子的位置外,还可以通过检测电机的磁链、电流和电压等物理量,再经过相应的处理间接地求得电机的转子位置。由于不是直接检测电机转子的位置,因此这种通过检测磁链、电流和电压等物理量来得到转子位置的直流电机也被称为无位置传感器的无刷直流电机。以下介绍这几种无位置传感器的检测电机转子的方法。

2   反电势过零点的检测方法

2.1反电势过零点检测方法

   一般来说,无刷直流电机定子采用集中绕组方式,以获得良好的梯形波反电势。在实际应用中,为了便于分析问题,忽略电枢反应对电机反电势的影响,仍以空载时的反电势为依据。由此,当采用120°二二导通方式时,在

某一固定转速下建立的无刷直流电机三相反电势波形和电流波形如图1所示,其中每相电流波形为120°通电型的交流方波。

   图1三相反电势波形和电流波形

   从图l可以看出,无刷直流电机定子绕组中的反电势在一个周期内都有两个过零点,而且每个过零点都超前下个换相点30°电角度,因此只要能检测到反电势的过零点就可以确定电机转子的位置和下次换流的时间。

   由电机学原理可得出:A相反电势过零检测方程为:  (1)

B相和c相反电势过零检测方程: (2) (3)

由于系统采用PWM调制方式,所以实际应用中利用图2所示检测电路将端电压Ua、Ub、Uc分压,经过滤波得到检测信号Uao、Ubo和Uco。因此式(1)、(2)和(3)转化为: (4) (5)

 (6)其中:

若将图2中的O点与直流电源Ud的负极断开(如图3所示),此时O点电压为:

于是: (7)

 图2基于端电压的反电势检测电路

 图3基于相电压的反电势检测电路

 (8) (9)

   根据上述方法检测到反电势过零点后,再延迟30°电角度即为无刷直流电机换相点。换相原理示意图如图4所示。

    图4延迟30°换相原理示意图

   这种方法简单、灵活,然而电机端电压信号中不仅包含电机反电势信号,而且含有斩波信号,斩波信号会严重干扰反电势波形,使得过零点不明确,因此必须选择合适的低通滤波器进行滤波。但因实际的位置检测信号是经过阻容滤波后得到的,其过零点必然会产生相移,使位置检测不准确,应用中必须进行适当的相位修正。

   根据图2或图3,可以很容易地算出检测电路产生的相位移。以A相为例,其中Ua为端电压,Uao为滤波后输

出电压,f为反电势频率。按基波计算有:

   (10)则相角延迟为: (11)

    因为反电势的频率同电机转子的电角频率成正比,所以相位延迟角α同电机的转速也是成正比的关系。由式(11)可知,电机的转速越快.相位延迟角α的数值就越大,因此在电机的调速过程中,相位延迟角的大小是随电机的转速变化的,所以在调速的过程中必须动态地对相位延迟角进行补偿。可以根据式(11)预先计算出相位延迟角的α在不同转速下的数值,将其制成数据表存放在ROM中,在调速过程中通过查表的方法得到相位延迟角的数值,当检测到反电势过零点后延迟30°一α电角度进行换相(如图5a所示),从而对其进行补偿。

                

         (a)                                                  (b)

图5反电势相位延迟原理图

   在实际应用中,当调速范围很宽时,为了能正确地检测到反电势的过零点就必须进行深度滤波,而这带来的

直接后果就是增大了相位延迟角α。当α>30°时,就使得反电势过零点超过了下次的换相点,如图5b中所示m′

已超过换相点n。

   在这种情况下,检测本相的反电势过零点(m′点)后延迟30°电角度,再对本相进行换相是不可能实现的。既

然检测本相反电势过零点不能用来进行换相,那么可以通过检测前相反电势过零点后延迟90°一α电角度,再对本相进行换相,其原理图见图6。这种方法称为超前90°换相法。当采用这种方法后,d的取值范围比前者宽很多,这就可以实现在整个范围内的准确换相,在实验和开发的过程中都采用了这种方法。

    图6延迟90°一α换相不恿图

   但反电势过零点检测法在电机静止或低速运转时会产生一定的误差,一般用于10%额定转速以上,低于此转速时,需采用其他检测措施。

2.2反电势过零点检测实验结果

   用反电势过零点超前90°的软件补偿方法,在日本三菱无刷直流压缩机上进行了试验,结果证明此原理是正确的,换相是可靠的,而且可以稳定运行。三菱无刷直流压缩机的主要参数如下:频率范围从20~260Hz,输入电压范围从27~162V,压缩机型号为SHBl30FSY。

图7显示了压缩机分别运行在30Hz和86Hz下反电势过零点位置检测信号和压缩机输入相电流的关系;同样图8显示了压缩机分别运行在144Hz和200Hz下反电势过零点位置检测信号和压缩机输入相电流的关系。

 (a)反电势过零点的位置信号

   (b)相电流波形

图7反电势过零点位置信号与相电流之间的关系图

 (a)反电势过零点的位置信号

   (b)相电流波形

   图8反电势过零点位置信号与相电流之间的关系图

   从图7和图8可以看出,位置信号上存在很多毛刺信号,这证实了位置信号在反电势过零点附近比较容易受到干扰。图中,在m点和n点之间,相电流都为零,这意味此时相应的该相绕组被关断,所以m点和n点之间的中心点是该相绕组反电势的过零点,也是α角的起始点。随着压缩机的运行频率的上升,过零点的位置检测信号越来越滞后于实际信号,即α角越大,因此必须进行相应的相位补偿。图9显示了压缩机在未加相位补偿时在高速运行的端电压和相电流波形。

   (a)端电压波形

 (b) 相电流波形

   图9  未补偿时端电压和相电流波形

   图10所示的是采用了相位补偿后电机的端电压和电流波形。在同样的工作频率下,端电压波形和相电流波形均有很大的改善。

 (a)端电压波形

   (b)相电流波形

图10补偿后端电压和相电流波形

3反电势3次谐波检测方法

假设无刷直流电机的定子绕组为Y型接法,逆变器采用120°二二导通方式。三相定子绕组每相的反电势可以分解为基波和各次谐波之和,如图11所示。以A相为例,其反电势可以表示为

 图11梯形反电势和它的基波与三次谐波

 (12)

同理B、C相反电势可以表示为: (13)

                              (14)

把式(12~14)三式相加可得: (15)

其中:e3是三相定子绕组反电势的3次谐波之和,e3=3Ek3COS(3ωt);ehighfreq。是三相定子绕组反电势的3的奇数倍次谐波之和,ehighfreq= ,在此简称高频谐波和。

根据无刷直流电机的相电压方程式,又由于ia+ib+ic=O,则三相相电压之和为:UAN+UBN+UCN=ea+eb+ec=e3+ehighfreq  (16)从式(16)可以看出,定子绕组采用Y型接法的无刷直流电机,其定子三相相电压之和就等于定子绕组中反电势之和,而且可以分解为3次谐波和3的奇数倍次谐波之和。由于高次谐波的幅值较小、频率较高,因此可以通过低通滤波器把高次谐波滤掉,只留下3次谐波。3次谐波在基波的一个周期内有6个过零点,而且每个过零点都和反电势的过零点一一对应,如图12所示,因此只要检测到3次谐波的过零点就可以知道转子的位置,从而确定换相时间。

采用上述位置检测方法时,只需把三相定子绕组的相电压相加,再经过滤波就可以得到用来换相的3次谐波,这决定了这种方法的一个特点一因为是把相电压相加,所以必须引出定子绕组的中性点,否则没有办法测量相电压。而在很多情况下,是没有办法引出电机的中性点的。

    图12无刷直流电机反电势及其3次谐波

以空调压缩机为例,无刷直流电机封装在压缩机里,只有定子的三相绕组引出,因此在这种应用环境下,不能采用上述方法检测转子位置。下面将对这种方法进行改进,使其能够在没有引出中性点的情况下同样可以工作。

如图13所示,无刷直流电机的定子绕组外接对称的电阻线路,其中性点标为O点,那么可以得到中性点0对中性点N的电压如下:

 图13定子绕组外接三相对称电阻检测反电势3次谐波

 (17)同时引进直流母线负极的G点,可得:

UAG+UGO+UON+UNA=0       (18)

UBG+UGO+UON+UNB=0       (19)

UCG+UGO+UON+UNC=0       (20)

当逆变器采用120。二二导通方式时,假设Vl和V2导通,则

把上述四个式子和式(17)代入式(20),可得:    (21)

这里注意到在图13中通过两个电阻R串联获得直流电源参考点M,UMG=ud/2,将其代入式(21)得:

  (22)  

即          (23)

同理,当逆变器的功率器件处于其它开关组合时,如V2一V3,V3一V4,V4一V5,V5一V6和V6一V1,仍可以经过推导得到上述结果。由式(23)可知,在引进直流电源参考点M点和对称电阻电路的中性点0点之后,测量这两点之间电压,同样得到了3次谐波信号和高频谐波和,经过滤波后就可以得到3次谐波的过零点,从而检测到转子的位置。

4其它位置检测方法

4.1续流二极管导通检测方法

 逆变器采用120。导通方式时,在任意时刻无刷直流电机的三相定子绕组总有一相是关断的,也就是当逆变器换相时,原本导通的两相绕组会有一相关断,而与此同时原本关断的那相绕组导通。然而被关断的那相绕组的电流并不会在换相后马上降为零,而是通过续流二极管续流,一直到该相反电势过零点的附近降为零。因此只要能在反电势过零点附近检测到续流二极管中电流比较大的降落,那么就可以判断出电机转子的位置。

4.2固定电压的检测方法

 固定电压检测的方法与前两种反电势检测方法不同的地方在于:其位置检测电路是把直流母线电压进行简单的电阻分压形成一个恒定的直流电压Uref,把该电压作为参考电平同端电压分压滤波后得到的电平进行比较,得出一个比较粗略的转子位置信号,并据此进行换相,如图14所示。

    图14  固定电压检测方法的原理图

压缩机的端电压幅值Ud和Uref都是已知的,而且是随着直流母线电压的变化而变化。根据阻容网络产生的相位偏移设法计算出理想的比较电压值,使电机在工作频率范围内产生的位置信号的相位都超前于电机转子的实际位置,于是控制软件在整个工作频率范围内只需进行延时补偿即可,无需再考虑滞后补偿的问题,这就增强了系统运行的安全性和可维护性。但这种方法得到的位置信号不是很精确,根据此位置信号进行换相,电机的转矩脉动较大;而且在反电势两个斜坡上得到的位置点与下一个换相点之间的延时时间也不一致,如图14所不的t1和t2,这增加了软件处理的难度和控制的复杂度。日本松下公司生产的全直流变速空调中无刷直流永磁压缩机就采用这种控制方法。

4.3预测反电势过零点的方法

 预测反电势过零点的方法是目前富士通全直流变速空调所采用的方式,它是从前几种方法中阻容网络产生相移的问题出发,解决相移对换相控制所带来的不便。把三相端电压的取样信号经过电阻分压后直接接到CPU管脚上,不经过任何电容滤波。这样从管脚进入CPU的信号与转子实际位置相比就没有任何相移,但此信号中夹带着载波信号,软件就是对这些含有载波的电压信号进行处理。

根据载波个数、调制波的周期时间等可预测出过零点出现的时刻,然后依照预测出的过零点信号进行30°延时换相,这样就可以使无刷直流电机正常地换相运行。一般来说,此方法预测的过零点的位置容易与实际的过零点位置相差一到两个载波周期,稳定性相对比前几种方法稍差一些,在电机高频运转时尤为突出。

还有其他几种位置检测方法,如反电势积分法、观测器法等,在此就不一一赘述了。

5   小结

反电势过零法和直接安装位置检测元件的方法不同,它只需检测无刷直流电机定子绕组的端电压,再根据每相端电压在一个周期内有两个过零点来检测转子的真实空间位置。反电势过零法需要深度滤波,把其它各次谐波滤掉,只留下基波,因此检测电路的相位位移大。

由于在低频段和低负载的情况下,反电势比较小不容易检测到,因此该方法需要特殊的起动技术,而且不能在低速下稳定运行。    

3次谐波法和反电势过零法的工作原理基本相近,不同的是它检测反电势3次谐波的过零点,由于3次谐波的

频率是基波频率3倍,所以3次谐波在基波的一个周期内有6个过零点,只要检测到3次谐波的过零点就可以知道转子的位置。同反电势过零法相比,3次谐波法不需要深度滤波,因此不会产生过大的相移,而且在低频段也可以

进行位置检测。

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