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基于DSP的無位置傳感器無刷直流電機控制

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:189

摘要:圍繞無位置傳感器無刷直流電機控制中心的兩個關鍵技術——位置檢測和起動,提出了將瞬時狀態檢測和預測估計相結合的電機轉子位置檢測方法和“三段式”起動,并應用于以TMS320LF2402A為核心的控制系統中,給出了試驗結果。

0前  言

   無傳感器永磁無刷直流電機位置的測量,有端電壓法、電流法和狀態觀測法等,用的較多的是反電動勢法。這種方法是通過檢測反電動勢的過零點來判斷轉子磁極的位置,從而確定逆變器中功率器件的切換時間。該方法雖然簡單、實用,但由于反電動勢迭加有逆變器輸出的脈寬調制波形和功率器件開關過程產生的尖峰干擾,如何濾除混于反電動勢中強干擾脈沖的問題變成了檢測反電動勢過零點的難點。有很多濾除干擾的方法。但是往往使反電動勢產生相移,而且這種相移因運行頻率的不同而差異很大,很難通過補償的方法校正。由于反電動勢過零點測不準,必然影響功率器件開關時間的準確度,從而影響電機的運行效率。

   文中提出的一種新的檢測方法是將瞬時狀態檢測和預測估計相結合,在提取反電動勢時不需要濾波器,避免了相移的產生,利用大功率器件開關噪聲熄滅的瞬間,對三相驅動模塊的狀態進行檢測,從而判斷轉子過零點的到達時間,并利用狀態預測的方法進行校正,推算三相功率器件的導通時間。這種位置檢測方法精度高、抗干擾能力強,并且容易實現。

1轉子位置檢測

1.1瞬時狀態檢測法原理

   無刷直流電機的反電動勢為梯形波。電機采用兩兩導通,三相六狀態的導通方式,在一個周期內(360°電角度)三相電機的6個電勢過零點將轉子分為6個區間。對各種驅動波形比較后發現60°PWM工作方式能夠更好檢測到反電勢過零點。具體的電機控制時序如圖1所示。檢測到反電勢過零點后過30°電角度進行導通模式的切換。由于電機電抗的存在,既使某相已經截止,其仍會通過上橋或下橋的續流二極管續流。在持續的時間內是無法測出感應電動勢的。為了避免錯誤的反電動勢檢測,將檢測起始點設在導通模式切換后的15°電角度處,避開導通模式切換后的續流時間。反電勢過零點的檢測僅在不導通相進行。在規定的模式檢測時刻,并不是連續檢測,只在PWM—ON期間進行,且延遲一段時間避開功率管開關干擾。為了進一步提高檢測的可靠性,可以PWM—ON期間可以采樣。當連續N次檢測到反電勢過零點,則認為檢測正確。當檢測到的過零點距離上次過零點的時間已大于120。電角度時,認為檢測失敗,采用過零點預測估計值進行插值,維持電機正常運轉。

   圖l無刷電機控制時序圖

1.2反電勢過零點預測估計原理

   電機的運行方式有:勻速、勻加速、勻減速。從而可以用二階微分方程描述電機的運行規律,利用預

測估計理論建立如下運動方程:

狀態方程: (1)

觀測方程:             (2)

估計方程:                (3)

變化方程:      (4)

加速度:  (5)

預測方程: (6)

式中,rk表示第k次過零時間, 分別表示過零時間的速率和加速度;Zk表示通過反電勢檢測到的第k次過零時間; 表示通過Zk對rk的估計值, 分別表示 的估計值; 表示利用第k次的 對第k+1次的預測值。

   在忽略了nk的情況下,可以認為 利用式(3)、式(4)、式(5),式(6)可簡化為:   (7)

   運用上式對電機位置進行預測估計。將反電勢檢測與預測估計方法相結合,一旦檢測不到過零信息,可以通過預測估計來獲得,從而解決了位置檢測失效后功率管切換問題。即使順利檢測到過零點信號,也可以利用預測估計值對其進行校正。

2電機起動問題

   由于無刷直流電機在靜止及低速運行時難以正確檢測到反電勢,因此必須解決兩個問題:一是靜止啟動的問題;二是同步切換的問題。以往有多種起動方法[2],但有的要增加外圍電路,有的則與電機特性聯系密切。本系統將采用三段方式利用純軟件實現起動。它將電機的起動過程分為預定位、加速與同步

切換三個階段。

   在電機靜止時,轉子的初始位置是未知的。首先給設定的兩相電樞繞組通以短暫的電流,使轉子磁極穩定在這兩相繞組的合成磁場的軸線上,實現預定位,以此作為轉子磁極初始位置。然后按定、轉子磁極間正確的空間相位關系使相應的功率管導通,并以固定的時間進行模式切換。此時不進行過零檢測。隨著電機轉速逐漸升高,反電勢也逐漸增大,升高到一定值時,通過端電壓檢測能夠確定轉子的位置。啟動過零檢測模塊,當連續N次正確檢測到過零點,就可從外同步運行階段切換到自同步運行階段,從而完成起動。

   圖 2系統結構框圖

3基于DSP控制的結構

   所設計的無位置傳感器無刷直流電機調速系統的結構如圖2所示。系統的供電部分主要分兩個支路,由220V濾波整流后一路為電機功率模塊供電,另一路經變壓器降壓后為控制板上的芯片供電。由控制顯示面板發送電機起、停命令及轉速等參數,系統上電后如果沒有重新設置,則直接從EPROM中讀取上一次存人的參數。利用TMS320LF2402A中的I/O(數字輸入/輸出模塊)、EV(事件管理器模塊),完成位置檢測和轉速控制。對端電流采樣送到ADC(模數轉換模塊),采用速度、電流雙閉環控制,從而實現電機的驅動和精確調速。

4試驗結果

   對上述控制系統做試驗,驅動對象是電冰箱專用變頻壓縮機,額定功率200W,調速范圍為:(1800~3200)r/min。試驗表明該位置檢測方法能夠更加有效的檢測到過零點,使切換時間更準確,從而提高了電機的效率,使電機能夠更加平穩、準確的運行。同時采用三段式起動法能實現電機的成功拖動,因此該位置檢測和起動方法是非常實用和有效的。

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