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無位置傳感器無刷直流電機位置檢測技術的研究

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:181

摘要:對反電勢過零點法和反電勢3次諧波法等幾種位置檢測方法的原理進行了分析和仿真,并對其優缺點進行了比較。

L   引  言

   無刷直流電機大多以霍爾元件、光電碼盤或其它位置檢測元件作為位置傳感器,但當電機的尺寸小到一定程度時,使用位置傳感器的弊病就比較明顯。因此,在小型和輕載起動條件下,無位置傳感器無刷直流電機成為理想的選擇。目前這種電機被廣泛地應用于空調、洗衣機等。

   除了在電機上安裝霍爾元件、光電碼盤等裝置直接檢測電機轉子的位置外,還可以通過檢測電機的磁鏈、電流和電壓等物理量,再經過相應的處理間接地求得電機的轉子位置。由于不是直接檢測電機轉子的位置,因此這種通過檢測磁鏈、電流和電壓等物理量來得到轉子位置的直流電機也被稱為無位置傳感器的無刷直流電機。以下介紹這幾種無位置傳感器的檢測電機轉子的方法。

2   反電勢過零點的檢測方法

2.1反電勢過零點檢測方法

   一般來說,無刷直流電機定子采用集中繞組方式,以獲得良好的梯形波反電勢。在實際應用中,為了便于分析問題,忽略電樞反應對電機反電勢的影響,仍以空載時的反電勢為依據。由此,當采用120°二二導通方式時,在

某一固定轉速下建立的無刷直流電機三相反電勢波形和電流波形如圖1所示,其中每相電流波形為120°通電型的交流方波。

   圖1三相反電勢波形和電流波形

   從圖l可以看出,無刷直流電機定子繞組中的反電勢在一個周期內都有兩個過零點,而且每個過零點都超前下個換相點30°電角度,因此只要能檢測到反電勢的過零點就可以確定電機轉子的位置和下次換流的時間。

   由電機學原理可得出:A相反電勢過零檢測方程為:  (1)

B相和c相反電勢過零檢測方程: (2) (3)

由于系統采用PWM調制方式,所以實際應用中利用圖2所示檢測電路將端電壓Ua、Ub、Uc分壓,經過濾波得到檢測信號Uao、Ubo和Uco。因此式(1)、(2)和(3)轉化為: (4) (5)

 (6)其中:

若將圖2中的O點與直流電源Ud的負極斷開(如圖3所示),此時O點電壓為:

于是: (7)

 圖2基于端電壓的反電勢檢測電路

 圖3基于相電壓的反電勢檢測電路

 (8) (9)

   根據上述方法檢測到反電勢過零點后,再延遲30°電角度即為無刷直流電機換相點。換相原理示意圖如圖4所示。

    圖4延遲30°換相原理示意圖

   這種方法簡單、靈活,然而電機端電壓信號中不僅包含電機反電勢信號,而且含有斬波信號,斬波信號會嚴重干擾反電勢波形,使得過零點不明確,因此必須選擇合適的低通濾波器進行濾波。但因實際的位置檢測信號是經過阻容濾波后得到的,其過零點必然會產生相移,使位置檢測不準確,應用中必須進行適當的相位修正。

   根據圖2或圖3,可以很容易地算出檢測電路產生的相位移。以A相為例,其中Ua為端電壓,Uao為濾波后輸

出電壓,f為反電勢頻率。按基波計算有:

   (10)則相角延遲為: (11)

    因為反電勢的頻率同電機轉子的電角頻率成正比,所以相位延遲角α同電機的轉速也是成正比的關系。由式(11)可知,電機的轉速越快.相位延遲角α的數值就越大,因此在電機的調速過程中,相位延遲角的大小是隨電機的轉速變化的,所以在調速的過程中必須動態地對相位延遲角進行補償??梢愿鶕?11)預先計算出相位延遲角的α在不同轉速下的數值,將其制成數據表存放在ROM中,在調速過程中通過查表的方法得到相位延遲角的數值,當檢測到反電勢過零點后延遲30°一α電角度進行換相(如圖5a所示),從而對其進行補償。

                

         (a)                                                  (b)

圖5反電勢相位延遲原理圖

   在實際應用中,當調速范圍很寬時,為了能正確地檢測到反電勢的過零點就必須進行深度濾波,而這帶來的

直接后果就是增大了相位延遲角α。當α>30°時,就使得反電勢過零點超過了下次的換相點,如圖5b中所示m′

已超過換相點n。

   在這種情況下,檢測本相的反電勢過零點(m′點)后延遲30°電角度,再對本相進行換相是不可能實現的。既

然檢測本相反電勢過零點不能用來進行換相,那么可以通過檢測前相反電勢過零點后延遲90°一α電角度,再對本相進行換相,其原理圖見圖6。這種方法稱為超前90°換相法。當采用這種方法后,d的取值范圍比前者寬很多,這就可以實現在整個范圍內的準確換相,在實驗和開發的過程中都采用了這種方法。

    圖6延遲90°一α換相不恿圖

   但反電勢過零點檢測法在電機靜止或低速運轉時會產生一定的誤差,一般用于10%額定轉速以上,低于此轉速時,需采用其他檢測措施。

2.2反電勢過零點檢測實驗結果

   用反電勢過零點超前90°的軟件補償方法,在日本三菱無刷直流壓縮機上進行了試驗,結果證明此原理是正確的,換相是可靠的,而且可以穩定運行。三菱無刷直流壓縮機的主要參數如下:頻率范圍從20~260Hz,輸入電壓范圍從27~162V,壓縮機型號為SHBl30FSY。

圖7顯示了壓縮機分別運行在30Hz和86Hz下反電勢過零點位置檢測信號和壓縮機輸入相電流的關系;同樣圖8顯示了壓縮機分別運行在144Hz和200Hz下反電勢過零點位置檢測信號和壓縮機輸入相電流的關系。

 (a)反電勢過零點的位置信號

   (b)相電流波形

圖7反電勢過零點位置信號與相電流之間的關系圖

 (a)反電勢過零點的位置信號

   (b)相電流波形

   圖8反電勢過零點位置信號與相電流之間的關系圖

   從圖7和圖8可以看出,位置信號上存在很多毛刺信號,這證實了位置信號在反電勢過零點附近比較容易受到干擾。圖中,在m點和n點之間,相電流都為零,這意味此時相應的該相繞組被關斷,所以m點和n點之間的中心點是該相繞組反電勢的過零點,也是α角的起始點。隨著壓縮機的運行頻率的上升,過零點的位置檢測信號越來越滯后于實際信號,即α角越大,因此必須進行相應的相位補償。圖9顯示了壓縮機在未加相位補償時在高速運行的端電壓和相電流波形。

   (a)端電壓波形

 (b) 相電流波形

   圖9  未補償時端電壓和相電流波形

   圖10所示的是采用了相位補償后電機的端電壓和電流波形。在同樣的工作頻率下,端電壓波形和相電流波形均有很大的改善。

 (a)端電壓波形

   (b)相電流波形

圖10補償后端電壓和相電流波形

3反電勢3次諧波檢測方法

假設無刷直流電機的定子繞組為Y型接法,逆變器采用120°二二導通方式。三相定子繞組每相的反電勢可以分解為基波和各次諧波之和,如圖11所示。以A相為例,其反電勢可以表示為

 圖11梯形反電勢和它的基波與三次諧波

 (12)

同理B、C相反電勢可以表示為: (13)

                              (14)

把式(12~14)三式相加可得: (15)

其中:e3是三相定子繞組反電勢的3次諧波之和,e3=3Ek3COS(3ωt);ehighfreq。是三相定子繞組反電勢的3的奇數倍次諧波之和,ehighfreq= ,在此簡稱高頻諧波和。

根據無刷直流電機的相電壓方程式,又由于ia+ib+ic=O,則三相相電壓之和為:UAN+UBN+UCN=ea+eb+ec=e3+ehighfreq  (16)從式(16)可以看出,定子繞組采用Y型接法的無刷直流電機,其定子三相相電壓之和就等于定子繞組中反電勢之和,而且可以分解為3次諧波和3的奇數倍次諧波之和。由于高次諧波的幅值較小、頻率較高,因此可以通過低通濾波器把高次諧波濾掉,只留下3次諧波。3次諧波在基波的一個周期內有6個過零點,而且每個過零點都和反電勢的過零點一一對應,如圖12所示,因此只要檢測到3次諧波的過零點就可以知道轉子的位置,從而確定換相時間。

采用上述位置檢測方法時,只需把三相定子繞組的相電壓相加,再經過濾波就可以得到用來換相的3次諧波,這決定了這種方法的一個特點一因為是把相電壓相加,所以必須引出定子繞組的中性點,否則沒有辦法測量相電壓。而在很多情況下,是沒有辦法引出電機的中性點的。

    圖12無刷直流電機反電勢及其3次諧波

以空調壓縮機為例,無刷直流電機封裝在壓縮機里,只有定子的三相繞組引出,因此在這種應用環境下,不能采用上述方法檢測轉子位置。下面將對這種方法進行改進,使其能夠在沒有引出中性點的情況下同樣可以工作。

如圖13所示,無刷直流電機的定子繞組外接對稱的電阻線路,其中性點標為O點,那么可以得到中性點0對中性點N的電壓如下:

 圖13定子繞組外接三相對稱電阻檢測反電勢3次諧波

 (17)同時引進直流母線負極的G點,可得:

UAG+UGO+UON+UNA=0       (18)

UBG+UGO+UON+UNB=0       (19)

UCG+UGO+UON+UNC=0       (20)

當逆變器采用120。二二導通方式時,假設Vl和V2導通,則

把上述四個式子和式(17)代入式(20),可得:    (21)

這里注意到在圖13中通過兩個電阻R串聯獲得直流電源參考點M,UMG=ud/2,將其代入式(21)得:

  (22)  

即          (23)

同理,當逆變器的功率器件處于其它開關組合時,如V2一V3,V3一V4,V4一V5,V5一V6和V6一V1,仍可以經過推導得到上述結果。由式(23)可知,在引進直流電源參考點M點和對稱電阻電路的中性點0點之后,測量這兩點之間電壓,同樣得到了3次諧波信號和高頻諧波和,經過濾波后就可以得到3次諧波的過零點,從而檢測到轉子的位置。

4其它位置檢測方法

4.1續流二極管導通檢測方法

 逆變器采用120。導通方式時,在任意時刻無刷直流電機的三相定子繞組總有一相是關斷的,也就是當逆變器換相時,原本導通的兩相繞組會有一相關斷,而與此同時原本關斷的那相繞組導通。然而被關斷的那相繞組的電流并不會在換相后馬上降為零,而是通過續流二極管續流,一直到該相反電勢過零點的附近降為零。因此只要能在反電勢過零點附近檢測到續流二極管中電流比較大的降落,那么就可以判斷出電機轉子的位置。

4.2固定電壓的檢測方法

 固定電壓檢測的方法與前兩種反電勢檢測方法不同的地方在于:其位置檢測電路是把直流母線電壓進行簡單的電阻分壓形成一個恒定的直流電壓Uref,把該電壓作為參考電平同端電壓分壓濾波后得到的電平進行比較,得出一個比較粗略的轉子位置信號,并據此進行換相,如圖14所示。

    圖14  固定電壓檢測方法的原理圖

壓縮機的端電壓幅值Ud和Uref都是已知的,而且是隨著直流母線電壓的變化而變化。根據阻容網絡產生的相位偏移設法計算出理想的比較電壓值,使電機在工作頻率范圍內產生的位置信號的相位都超前于電機轉子的實際位置,于是控制軟件在整個工作頻率范圍內只需進行延時補償即可,無需再考慮滯后補償的問題,這就增強了系統運行的安全性和可維護性。但這種方法得到的位置信號不是很精確,根據此位置信號進行換相,電機的轉矩脈動較大;而且在反電勢兩個斜坡上得到的位置點與下一個換相點之間的延時時間也不一致,如圖14所不的t1和t2,這增加了軟件處理的難度和控制的復雜度。日本松下公司生產的全直流變速空調中無刷直流永磁壓縮機就采用這種控制方法。

4.3預測反電勢過零點的方法

 預測反電勢過零點的方法是目前富士通全直流變速空調所采用的方式,它是從前幾種方法中阻容網絡產生相移的問題出發,解決相移對換相控制所帶來的不便。把三相端電壓的取樣信號經過電阻分壓后直接接到CPU管腳上,不經過任何電容濾波。這樣從管腳進入CPU的信號與轉子實際位置相比就沒有任何相移,但此信號中夾帶著載波信號,軟件就是對這些含有載波的電壓信號進行處理。

根據載波個數、調制波的周期時間等可預測出過零點出現的時刻,然后依照預測出的過零點信號進行30°延時換相,這樣就可以使無刷直流電機正常地換相運行。一般來說,此方法預測的過零點的位置容易與實際的過零點位置相差一到兩個載波周期,穩定性相對比前幾種方法稍差一些,在電機高頻運轉時尤為突出。

還有其他幾種位置檢測方法,如反電勢積分法、觀測器法等,在此就不一一贅述了。

5   小結

反電勢過零法和直接安裝位置檢測元件的方法不同,它只需檢測無刷直流電機定子繞組的端電壓,再根據每相端電壓在一個周期內有兩個過零點來檢測轉子的真實空間位置。反電勢過零法需要深度濾波,把其它各次諧波濾掉,只留下基波,因此檢測電路的相位位移大。

由于在低頻段和低負載的情況下,反電勢比較小不容易檢測到,因此該方法需要特殊的起動技術,而且不能在低速下穩定運行。    

3次諧波法和反電勢過零法的工作原理基本相近,不同的是它檢測反電勢3次諧波的過零點,由于3次諧波的

頻率是基波頻率3倍,所以3次諧波在基波的一個周期內有6個過零點,只要檢測到3次諧波的過零點就可以知道轉子的位置。同反電勢過零法相比,3次諧波法不需要深度濾波,因此不會產生過大的相移,而且在低頻段也可以

進行位置檢測。

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