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無刷直流電動機轉子位置的估計方法

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:197

摘要:無刷直流電動機的正確換相和控制依賴于正確的轉子位置信息,但位置傳感器的加入增加了電機的成本,

降低了運行的可靠性。文中比較了現有的無位置傳感器電機轉子位置的估計方法及啟動方法,并分析了其優缺點。

關鍵詞:無刷直流電動機;位置估計;方法

1  引  言

   永磁無刷直流電動機具有優良的調速性能、高轉矩慣量比和高效率等優異性能,其應用從最初的軍事工業,向航空航天、醫療、信息、家電以及工業自動化領域迅速發展。無刷直流電動機需要采用轉子的位置信號作為控制逆變器功率管的換相信號,實現電機的無刷運行,同時也為轉速閉環控制提供轉速信息。傳統的位置檢測方法是采用電子或機電式的位置傳感器來獲得所需的轉子位置信號。如磁敏式的霍爾位置傳感器、光電編碼器、旋轉變壓器等。

由于各種傳感器對環境條件比較敏感;傳感器的引入,增加了電氣連接線數目,使得整個系統的可靠性降低,有悖于電機小型化的發展趨勢,也增加了電機制造的工藝要求和成本,潮濕和震動劣化了傳感器的性能。由于位置傳感器固有的上述缺點,20世紀70年代,無位置傳感器技術開始成為研究的熱點,已經提出了許多方法,文中將對文獻所提出的方法進行了分類、對比和分析,并給出了其適用范圍和局限性。

2  方法介紹

  按照定子繞組反電動勢波形的不同,也就是磁鏈分布形式的不同,直流無刷電動機可分為方波直流電動機(BLDCM)和正弦波直流電動機(PMSM),PMSM是由三相正弦電流驅動的,而BLDCM則是由一序列的方波電流激勵的,因而它們對轉子位置信息的要求不同:在每一個周期中,PMSM需要連續的轉子位置信息;而BLDCM則只

需要6個換相時刻即可,這就使得一些方法只適合其中的一種類型的永磁直流電動機。文中對現有的各種方法加以介紹。

 2.1反電動勢法

由于定子繞組的反電動勢隨轉子位置的改變而變化,利用在定子繞組中感應出的反電動勢,可以得到轉子的位置。這種方法一般需要在電機的三相端電壓進行檢測或者計算出反電動勢,從而得到轉子的位置信號。該方法在方波直流電動機中最為常用,因為在BLDCM中,任何瞬間3個繞組中只有2個導通,未導通相繞組的端電壓即為反電動勢信號。針對這一特點,可以利用未導通相的端電壓來檢測轉子的位置。其中一種方法是將檢測到的反電動勢信號的過零點直接移相30°,對逆變器的6個功率管進行控制,稱為直接反電動勢法,直接法在換相時引入較大的干擾;間接反電動勢法是利用檢測的端電壓經電壓方程解出反電動勢,但由于方程中有電流微分項,易引入噪聲,一般采用低通濾波器對信號進行處理。文獻[3]介紹了間接反電動勢的典型方法:將三相端電壓經過低通濾波器,延時90°電角度.再經比較電路得出觸發邏輯信號,控制逆變器的功率管的開關。為了克服開關噪聲對電機的性能的影響,文獻[4]提出了一種反電動勢積分法,該方法對開關的噪聲不很敏感,且可以自動調節逆變器的開關時刻以適應轉子速度的變化,較過零檢測方法有明顯的改進。

由于電機的轉矩對定子電流和反電動勢之間的相位關系特別敏感,一個小的換相相位誤差能引起比較大的轉矩波動,同時本應截止相的導通電流將引起額外的銅耗。為了減小轉矩波動、避免附加損耗,無刷直流電動機需要定子電流的準確換相信息,而低通濾波器在電機低速時延時不足30°,致使電機提前換相,使系統控制的可靠性降低,嚴重時甚至導致電機失步,因而該方法在低速時誤差較大,且每安培的輸出轉矩和效率都隨速度的降低而減小。

 文獻[5]結合反電動勢積分法和濾波方法,給出了一種比較經濟的校正轉子位置的方法:端電壓經電阻分壓,再對其進行積分,以進行濾波并產生所需要的相移。檢測積分輸出的過零點,在每一個電周期得到兩個換相時刻,再將所得信號送給微處理器,檢測出信號之間的時間間隔Tk,在兩個換相時刻之間的1/3Tk、2/3Tk時刻插人兩個換相信號;同時通過換相信號,可以得到轉速,也就是換相頻率,針對不同頻率引起的相位延遲誤差的大小,對移相網絡進行恰當的補償,使之在高速和低速時都具有相同的移相角度,實驗表明與未補償的方法比較在低速范圍(100~1 500 r/min)有較好的經濟運行性能。

 文獻[6]利用非導通相反電動勢經邏輯處理后得到一脈沖列,再采用PLL鎖相技術將脈沖列倍頻,通過倍頻電路計數器的記數值可以精確的得到轉子的位置。該方法實際上是一種直接反電動勢方法,可得到連續的轉子位置信息,也適用于PMSM,對逆變器的輸出端的開關信號敏感,文中驗證可在150~1 500 r/min穩定運行。

  反電動勢檢測法雖然可以得到轉子的位置或換相時刻,但反電動勢在低速時比較小,很難檢測到反電動勢;靜止時無感應電動勢,因此沒有自起動能力,該方法在低速和啟動時失效,必須設計專門的起。,動電器,待電機啟動達到一定的轉速后,再切換到由  反電動勢控制換相時刻,實現無刷運行。

2.2  3次諧波檢測法

  由于方波電機的反電動勢為典型的梯形波,它包含了基波及其高次諧波分量,通過對電樞三相相電壓的簡單疊加,反電動勢的基波分量和其它高次諧波分量由于相位互差120。而相互抵消,只有3次諧波及其奇數倍諧波由于同相而疊加,可以從中提取反電動勢的3次諧波分量,以檢測轉子的位置。該方法只適合于星接連接有中性點引出的方波電機,利用電機中性點和并聯于機端的三相星型網絡的中性點來得到反電動勢的3次諧波分量;在沒有中性點引出的電機,可以利用直流側中性點和電阻網絡的中性點來獲得反電動勢的3次諧波分量;然后對獲得的信號進行濾波,濾掉3次諧波的高次分量,由于高次分量的最低為9倍的基波頻率,對濾波器要求低。因而它比反電動勢直接過零比較有更寬的運行范圍。與反電動勢方法相同,該方法低速時很難檢測到3次諧波電壓,且需要特殊的啟動方式。

2.3相電感檢測方法

 凸極永磁電機的定子繞組電感隨轉子位置的變化有較大的改變,定子電感是轉子位置和相電流的函數,利用這一點就可以估計轉子的位置。該方法可用于載波模式,其顯著優點是在反電動勢很小甚至為零的低速和靜止情況下,都具有很好的可靠性。但是,電流的變化率和轉子位置之間的關系比較復雜,且在高速時反電動勢對定子電流有較大的影響,產生無法忽略的誤差。

文獻[9]介紹了一種自校正的轉子位置估計方法——電流注入法:在定子繞組中注入一個微弱的高頻交流診斷信號,通過計算d軸和q軸定子電感的差值來估計轉子的位置,實際上電流注入法也是一種電感檢測方法。該方法對轉子位置的估計不受電機參數、轉速及運行狀況的影響,但由于機械的或磁的結構不對稱會帶來位置估計的誤差,而轉子位置角的微分作為速度信號,就引入了轉速的周期性誤差。文獻[9]基于模糊控制和神經網絡技術,對估計出轉子位置進行了自動校正。雖然電機的特性參數不盡相同,該方法都可以對估計出的轉子位置角進行自動校正。為了避免測量過程中旋轉的影響,電壓脈沖的寬度要足夠窄。但在高速時,由于計算時間的影響,其校正精度受到限制。文獻[10]通過對由MRAS方法獲得的位置角和角速度的估計值與電  流注入法獲得的轉子位置值進行比較,通過補償來校正差值。

   電流注入法對凸極電機或有一定電感變化的電機適用,靜止時,不用軸的擺動和轉動,通過電流注入法可以估計出轉子的初始位置,旋轉時,既使在低速情況下,該方法都可以獲得準確的轉子位置角,實現無刷電機的穩定運行,但在高速和大電流時存在其局限性。

 2.4逆變器開關狀態監視法

   該方法是通過逆變器中的電流通路來檢測轉子的位置的。由于在BLDCM中,任何瞬間3個繞組中,總有一相處于斷開狀態,文獻[11]通過監視反并聯于功率管上的續流二級管導通與否,每60°電角度獲得一個轉子位置信號,但得到的轉子位置信息超前下一個換相時刻30°,因而逆變器的換相信號由移相器給出。該文在每個功率管120°導通期間的前半段采用載波控制,實驗表明,該方法在45~2 300 r/min可有效運行。該方法是通過監視功率管的導通與否,因而對連續導通的正弦波電機失效,同時它需要附加檢測電路、特殊的載波方式及其他方法以起動電機,因而其應用受到限制。

 2.5假想坐標系法    

   電機的方程可以用與轉子同速旋轉的d一q坐標系表示。由于在d一q口坐標系下實際電機的轉子位置未知,可以假想一個用于估計的旋轉坐標系γ一δ以代替d—q坐標,在該假想坐標系下對電機進行控制,在任何瞬間它與d—g坐標系有位置角差,這也就是轉子位置估計值與實際值之差,這個角差的存在使得實際狀態量(如電流電壓)與估計的狀態量也不盡相同。文獻[12]、[13]以電流作為被監視的狀態量,用估計的狀態量計算出在γ一δ坐標系下的模型電流,由模型電流與實際電流的差別來估計在兩個坐標系下轉子位置的差值,利用這個差值對轉子位置進行修正,得到實際的轉子位置。文獻[14]利用瞬 時功率作為檢測量,從瞬時功率的差值可以估計出速度的誤差,這樣就可以從模型電機的速度和速度的誤差計算出電機的實際速度。同樣模型電機的位置通過估計的位置誤差而獲得。但由于瞬時功率與轉子速度成比例,因而在低速時很難用這種方法來實現對轉子位置的準確測量。

   假想坐標系方法是針對正弦波電機而提出的,但它同樣適合于方波電機。但是模型電機與實際電機參數的誤差,會影響估計的準確性。在靜止時失效,它需要特殊的起動方法。

2.6觀察器

   近年,隨著現代控制理論的發展、應用及DSP的迅速發展,觀測器方法也得到廣泛應用?;S^察器對干擾(包括測量噪聲)具有較強的魯棒性,被應用于無刷直流電動機轉子位置的估計,文獻[15]采用非線性方程,以靜止α—β坐標系下的定子電流作為狀態變量,建立了包括參數變化等擾動在內的狀態方程,構造一個滑模觀測器.來實現圓柱型轉子的無位置傳感器無刷直流電動機的控制,并分析了由于參數變化引起的估計誤差,提出了一種參數調整方法。但是由于它采用非線性模型,存在穩定性問題。文獻[16]由于采用電機的線性模型,在滑模模式下觀察器的誤差方程得以簡化,轉子的位置較易獲得,且其穩定性容易得到保證。采用該方法估計出的轉子位置對轉子速度和參數差異具有較強的魯棒性。

   文獻[17]為了利用現代控制理論,將電機模型方程中的非線性量——載有位置和速度信號的反電動勢看成是干擾信號,就可以獲得無刷直流電動機的線性方程,即可利用干擾觀察器和自適應的速度來估計反電動勢,從而得到轉子的位置。該方法的穩定性是可以保證的。

   觀察器方法,可以在較大運行范圍內實現對電機轉子位置和速度的精確估算,但它需要復雜的估計技術,且需要特殊的啟動方法。

2.7卡爾曼濾波法

    對于具有隨機干擾的非線性系統,卡爾曼濾波器是最優的遞推估計器,文獻[18]以α一β坐標系下的定子電流iαiβ、轉子角速度叫和位置口作為狀態變量,建立系統的擴展狀態方程,這樣電流的導數與電流、電壓呈線性關系。它采用了特殊的算法,并將舍入誤差和截斷誤差也計入到系統噪聲,該算法可用于位置和速度的實時估計。擴展卡爾曼濾波器一般計算量大,對系統參數敏感以及需要初始位置信息,這些缺點阻礙了它的實際應用。

    除了上述幾種方法外,還有一些其它方法。如文獻[19]、[20]提出了一種估計圓柱型轉子位置的方法,它通過貼于圓柱型轉子表面的非磁性導電材料,使圓柱型轉子電機的自感隨轉子的位置而改變,利用定子繞組高頻開關工作時非磁性材料上的渦流效應,使開路相電壓的大小隨轉子位置而變化,從而可通過檢測開路相電壓來判斷轉子位置,該方法完全拋棄了反電動勢的利用,可以實現未知負載的無位置無刷電動機的起動和低速運行,但該方法需要特殊的電機,對電機的制造工藝提出很高的要求。此外,隨著數字信號處理器的發展,硬件廠商開發出了無位置傳感器直流無刷電動機的專用控制芯片,利用這些芯片,設計者可以方便的設計出適合自己的控制系統,且可靠性高,如文獻[21]、[22]中介紹的ML4425,文獻[23]中介紹的TMS32030等,但其成本較高。

3低速和起動

   除電流注入法外,其它方法在電機靜止或極低速時,估計出的轉子位置誤差較大甚至根本不可用。傳統方法是采用定位起動,即預先對A相繞組通直流電,使電機轉子定位于磁極中心線與A相繞組軸線重合的位置,再使B相繞組通電,轉子磁極中心線將從A相繞組軸線向B相繞組軸線位置轉動,在這個過程中定子繞組中感應出電勢,選擇合適的切換時機使電路轉換到電勢換相工作狀態,即實現了電機的起動。該起動方式實現比較簡單,但對切換時間要求較嚴,一般適用于電機空載起動。當電機慣量不同或帶一定負載起動時,切換時間需要調整,否則可能造成起動失敗或電機反轉現象。文獻[24]采用升頻升壓同步起動方式,保證帶一定負載時可靠起動,對切換時間沒有嚴格要求,當電機轉速達到一定數值后,經邏輯電路將電機切換到無刷直流電機運行狀態。

   文獻[25]、[26]介紹了一種較為通用的方法。它先給靜止的定子繞組注入幅值恒定的高頻正弦測試電流,測算出定子的電壓。由于電壓向量在空間上呈橢圓形分布,其短軸即為實際轉子的位置,因此觀察電壓的幅值即可檢測出轉子位置,再用快速傅立葉變換(FFT)算出相位延遲角,最后根據線圈中感生的2次諧波分量的方向確定磁極的極性。這種方法的誤差在±10。電角度內,且不管任何種負載條件下,電機均可獲得最大起動轉矩,該方法實際上是一種電流注入法。文獻[27]提出了一種檢測無位置傳感器開關磁阻電機起動前轉子初始位置的電流定位法,即同時向電機兩相以上的繞組注入一定幅度的測試脈沖,利用各相測試電流與定子電感和轉子位置的關系,確定轉子初始位置以及相應初始導通相,從而實現轉子處于任何位置時的無反轉起動,對不允許轉子反轉的某些應用場合具有較大的實用價

值。

4  結  語

   介紹了現有的各種無位置傳感器無刷直流電動機的位置估計方法及起動方法,各種方法都有其特點、優點和局限性,要針對電機的運行環境和負荷情況來選擇合適的方法??煞譃槿箢悾旱谝活惙椒椴ㄐ螜z測法,包括反電動勢方法、3次諧波法和假想坐標系方法;第二類方法為磁通法,包括電感法和電,流注入法,這種方法在速度的估算中容易引入量化噪聲,且對估算磁通的校正問題較難解決;第三種方法是利用現代控制理論、基于DSP等硬件的觀測器方法和卡爾曼濾波器,使得對電機轉子位置和速度的估算可在較大運行范圍內達到并保持較高的精度,是今后的發展方向。

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