基于線電壓的無刷直流電機轉子位置辨識方法

1機轉子位置估算方法無刷直流電機結構簡單，維護方便，速度性能好，運營效率高，控制簡單。它在許多行業都得到了廣泛應用。傳統的無刷直流電機需要位置傳感器得到轉子位置信號對三相繞組進行換相控制，但位置傳感器增大了電機的體積和成本，同時不能適應高溫、高濕等惡劣的工作環境，傳感器連線較多，易受外界信號干擾，降低了電機運行的可靠性。因此，無位置傳感器控制成為無刷直流電機控制系統的一個重要發展方向。目前，反電動勢過零檢測法是無刷直流電機轉子位置估算的主要方法，傳統的反電動勢法大都采用端電壓與構造的電機中點來間接得到反電動勢過零信號，一般采用硬件電路實現。文獻都利用直流母線電壓中點來重構電機中點，通過端電壓的測量來得到反電動勢過零點，而實際上重構的電機中點與電機中點的電位并不總是相等，并且用硬件方法檢測，由于開關噪聲等原因容易產生反電動勢誤過零信號。因此采用重構電機中點的反電動勢過零硬件檢測方法雖然方法簡單，但誤差較大，特別是在低速時不能滿足控制要求。文獻給出了利用兩相端電壓的平均值之差來得到反電動勢過零點，在采用上管PWM下管恒通調制方式下得到了試驗結果，但在此PWM調制方式下，仍然忽略了電機中點與直流母線電壓中點的電位差，從而導致反電動勢過零點信號檢測誤差，并帶來較大的轉子位置辨識誤差。文獻提出了利用線電壓之差對轉子位置進行辨識，該方法是在假設導通的兩相電流相等即非導通相無續流的理想條件下得出的，而實際上未導通相在換相時和非換相時都可能存在續流現象，從而導致導通的兩相電流并不總是相等，并且也沒有給出在無位置傳感器控制下的轉子位置辨識試驗結果。本文通過對無刷直流電機在三相六狀態控制下的理論分析，提出一種利用線電壓實時計算得到未導通相反電動勢過零點的全新方法，推導了傳統的直接反電動勢檢測方法中電機中點與直流母線中點電位之間的關系，從而證明了在全橋PWM調制方式下由于未導通相在非換相期間無續流現象而適用于本文提出的無位置傳感器控制方法，并在仿真和實驗中得到驗證。2基于反向電勢的實時旋轉位置估算原理2.1功率器件的計算無刷直流電機主電路如圖1a所示，電機采用兩兩導通控制方式，在一個電周期內需要6個關鍵的轉子位置換相信號，如圖1b所示。假設無刷直流電機三相繞組對稱，則三相電壓方程可以表示為式中ua,ub,uc——三相定子端電壓；ia,ib,ic——三相定子電流；un——電機中點電壓；由于電機中點n一般不引出，所以相電壓無法直接測量，因此考慮線電壓，將上述三相相電壓兩兩相減就可以得到線電壓表達式式中p——微分算子；R——定子電阻；其中L=Ls-LmLs——定子相繞組自感；進一步考慮線電壓的差值，以其中的兩路線電壓為例，將uab與ubc相減得到假設a相和c相導通，b相不導通，則ea+ec=0,而由電機三相定子繞組Y形聯結可知，ia+ib+ic=0，則式（3）可以簡化為即顯然，b相反電動勢值與線電壓、電機參數R和L、b相電流有關，為簡化計算，如果b相電流在b相不導通時總是為0，即沒有電流從b相流過，則上式的后面兩項就恒為零，從而可以大大簡化b相非導通時反電動勢的計算。對無刷直流電機而言，在換相期間三相繞組一般都有電流流過，即b相電流在換相時不為零（圖1b中的90°、150°、270°和330°附近）。但是由圖1b可以看出，在b相不導通時反電動勢過零點（圖1b中的120°和300°）遠離b相的換相點（圖1b中的90°、150°、270°和330°），也就是說b相反電動勢過零點附近均為b相非換相期間。為此，只要證明b相不導通時，在非換相期間b相無電流續流，則式（5）可以化簡為這樣，b相不導通時其反電動勢只與線電壓有關，因此計算線電壓的差值，就可以得到b相反電動勢過零點，然后再延遲30°電角度就是該相橋臂功率器件的導通時刻。同理，根據以上理論分析，只要能夠證明不導通相在非換相期間無電流續流，就可以得到ec和ea分別在c相和a相不導通時非換相期間的表示式2.2電機中點和直流汽車中點電位等由圖1a,m點為直流母線電壓中點，n為電機中點，以b相不導通為例，對VT1和VT2進行控制。在b相非換相期間的反電動勢過零點前后一段區間（圖1b中120°前后一段區間），可以近似認為ea=-ec=E,ia=-ic，在不同的PWM調制方式下，電流流向有以下四種情況。(1)VT1和VT2導通，三相電壓方程為此時，un=ud/2，電機中點與直流母線中點電位相等。(2)VT1導通、VT2斷開、VD5續流，三相電壓方程為此時，un=ud，電機中點與直流母線中點電位不相等。(3)VT1斷開、VT2導通、VD4續流，三相電壓方程為此時，un=0，電機中點與直流母線中點電位不相等。(4)VT1和VT2斷開、VD4和VD5續流，三相電壓方程為此時，un=ud/2，電機中點與直流母線中點電位相等。由以上分析可以看出，在第1和第4種情況下，電機中點與直流母線電壓中點相等，而在第2和第3種情況下，電機中點與直流母線電壓中點并不相等。目前常用的PWM調制方式主要有兩類：雙管（全橋）PWM調制和單管PWM調制。全橋PWM調制方式對應于上述第1、4兩種狀態，因此在此方式下電機中點與直流母線電壓中點等電位。單管PWM調制方式對應于上述第1、2種或第1、3種狀態，總存在一種狀態電機中點與直流母線中點電壓不相等的情況，因此不論采用單管PWM調制方式中的哪一種方式，在非換相期間電機中點與直流母線電壓并不總是相等，也不能利用直流母線電壓中點作為重構的電機中點進行反電動勢過零檢測。2.3dm調制時b相不同電壓的導通情況由上節分析可知，在全橋PWM調制下，在非換相期間電機中點與直流母線中點電壓相等，下面說明，正是因為電機中點與直流母線中點電位相等，所以不導通相才不會發生續流現象。這里仍以b相不導通為例，說明在全橋PWM調制方式下未導通相在非換相期間無續流現象發生。未導通相非換相期間定義為：從該相完全換流到其他相開始，到下一次換相開始前為止。對于b相來說，在一個電周期內有兩個區間，分別為VT1、VT2導通的區間和VT4、VT5導通的區間(圖1b中90°～150°之內和270°～330°之內的范圍)。下面分析對VT1、VT2同時進行PWM調制時b相繞組的導通情況。當VT1和VT2同時導通時，三相電壓為式（8）所示，由其第1項可以得到而un=ud/2,ia>0，假設E為反電動勢幅值，則而-E<eb<E，所以-ud/2<eb<ud/2，則由式（8）的第2項ub=eb+un可得0<ub<ud。同理，當VT1和VT2同時關斷時，VD4和VD5導通續流，仍然可以得到0<ub<ud。這樣，不管VT1和VT2是同時導通還是同時關斷，b相端電壓總在0和ud之間變動，因此，與VT3和VT6反并聯的二極管VD3和VD6不會導通，消除了未導通相b相繞組導通的現象。同理，對VT4、VT5同時進行PWM調制時b相繞組也不會發生導通的現象。因此在全橋PWM調制方式下由于未導通相在非換相期間無續流現象，這樣，只要檢測任意兩路線電壓，再利用uab+ubc+uca=0得到第三路線電壓，從而通過式（6）和式（7）來對反電動勢過零進行實時檢測。3反電動勢測試基于以上原理，利用Matlab/Simulimk仿真工具搭建無刷直流電機無位置傳感器控制系統對轉子位置進行了辨識。系統中定子電阻R=2.875?，定子自感Ls=8.5mH，定子互感Lm=1.6mH，電機極對數為4ㄢ采用全橋PWM調制方式，速度環選用PI調節器。圖2和圖3分別為給定轉速為100r/min和1000r/min時的線電壓ubc、uab,b相反電動勢eb,b相反電動勢過零信號seb、估算的轉子位置信號sb以及b相定子電流ib波形圖。由圖可以看出，由線電壓實時計算的反電動勢波形在其過零點有非常好的單調性，避免發生誤過零現象。通過計算反電動勢的實時值來判斷其過零點，再延遲30°就可以得到對應的換相點，定子電流在該相不導通時未發生續流現象。采用提出的轉子位置估算策略能夠真實辨識轉子位置，可以在較寬的轉速范圍內對轉子位置進行辨識。4電機的轉速及轉速測量實驗采用基于dsPIC30F6010為核心的無刷直流電機控制實驗裝置，試驗用永磁無刷直流電機參數為：額定功率180W，輸入電壓220V，額定轉速3000r/min，極對數4，額定電流0.94Aㄢ實驗中利用電壓霍爾傳感器檢測ubc和uab，通過簡單的濾波電路濾掉高頻噪聲，因此引入的相移很小，幾乎可以忽略不計。然后通過轉換電路轉換后送入DSP的AD通道進行同步采樣和轉換，最后通過軟件計算就可以得到三相反電動勢過零信號。圖4和圖5分別為給定轉速100r/min和1000r/min時電機在無位置傳感器控制下實際測試的線電壓、計算的反電動勢、反電動勢過零信號和延遲30°的轉子位置估算信號、實際霍爾信號以及相電流波形。從圖中可以看出，由線電壓之差得到的反電動勢過零點附近同樣具有較好的單調性，避免發生誤過零現象，與仿真結果基本相同。定子電流在該相不導通時同樣無續流現象發生，辨識得到的轉子換相信號與實際的霍爾信號幾乎完全一致，不管在低速還是中高速都具有較高的辨識精度，能夠在較寬的速度范圍內實現無刷直流電機無位置傳感器控制。圖6和圖7分別為給定轉速500r/min時在全橋PWM和PWM＿ON單管調制方式下辨識的轉子位置和實際霍爾傳感器輸出波形，從圖中可以看出全橋PWM方式轉子位置辨識準確，而在單管調制方式下由于電機中點與直流母線電壓不相等導致非導通相在非換相期間有續流現象，估算的轉子位置偏離實際的霍爾傳感器位置信號，因此單管PWM調制方式不適合本文提出的反電動勢過零檢