基于无位置传感器BLDCM控制系统的研究

2010-03-19高晗璎黄淑娟

黑龙江大学工程学报 2010年2期

高晗璎,黄淑娟

(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,哈尔滨 150040)

0 引言

传统的直流无刷电动机所需的换相信号是由一个附加的位置传感器提供,但在某些场合,霍尔传感器的存在给直流无刷电动机的应用带来了很多不便,位置传感器会增加电机的体积和成本,众多连线的位置传感器会降低电机运行时的可靠性,即便是现在应用最为广泛的霍尔传感器,也存在一定程度的磁不敏感区,在某些恶劣的工作环境中,常规的位置传感器无法使用。此外,传感器的安装精度还会影响电机的运行性能,增加生产的工艺难度[1]。

针对位置传感器所带来的种种不利影响,直流无刷电机的无位置传感器检测技术逐渐成为国内外较为热门的研究课题。近年来,国内外已提出了很多无位置传感器的检测方法,如反电势法、续流二极管法、电感法和状态观测器法等,其中,反电势法是较为成熟并应用最为广泛的一种方法[2]。本文提出采用反电势法实现转子位置信号检测,并进行了仿真分析和硬件电路设计,同时对无、有位置传感器的输出进行了对比,最后进行实验研究。结果表明该方法是可行的,具有较好的实用价值。

1 电机转子位置检测方案

对于两两导通三相六状态的无刷直流电机,在任意时刻其三相绕组只有两相导通,每相绕组正反向分别导通120°电角度。并且在任何时刻三相中只有两相同时导通,通过测量三相绕组端子及中性点的电位,当另一相端点电位与中性点相等时,即为该未导通相的反电动势过零点,再过30°电角度延时进行换相。

直流无刷电机任意一相等效电路见图1,图1中x代表A、B、C任意相,Lx为相电感,Rx为相电阻,ex为反电势,ix为相电流,Ux为相电压。

以A相为例,其数学表达式为:

式中Ua为绕组相电压;Ra为绕组相电阻;ia、ib、ic为A、B、C三相相电流;L为绕组自感;M为绕组互感;e为绕组反电势。

如果A相悬空,则A相绕组中ia=0,因此式(1)中第一项定子绕组电压、第二项电流变化引起的自感电动势都为零。第三、四项为互感电动势,此时ib=-ic,因而这两项互感电势相互抵消,最终电压平衡方程式可化简为:

图1 一相绕组相等效电路Fig.1 Single phase winding equivalent circuit

即绕组的相电压等于反电势,因此可以用相电压近似代替反电势。因大部分永磁同步电机都没有中性点引出,故无法直接测量相电压。在实际操作中,往往采用测量端电压的测量方法,即在端电压的基础上加上中性点对地的电压从而间接测量相电压。由上述分析可得悬空相绕组电压为:

式中x表示悬空相,Un G为中性点对地电压。

由式(3)可知:当e=0时,Ux G=UnG。此时刻即是悬空相绕组反电势过零点的时刻。由式(3)可知(以A相为例)UbG=eb+UnG,UcG=ec+UnG。

将上两式相加,得:

式中eb+ec=0,所以:

将式(5)代入式(3),得:

同理,可得B相和C相反电势过零点方程为:

基于上述原理,可以将悬空绕组电压与中性点电压进行比较以获取绕组的反电势过零时刻[3]。

2 建立仿真模型

2.1 反电势检测模块

本文所建立的反电势检测模块见图2,其中ea、eb、ec分别为相电动势的采样信号,N为转速,根据反电势信号与霍尔信号的位置关系,将采样的相电压信号经过过零比较得出高低电平。在检测电机的相电压信号时需要滤波,这样必然会导致1个相位上的延时,所以本文根据当前转速计算出补偿时间来进行延时补偿。

图2 反电势检测模块Fig.2 Back EMF detecting module

2.2 电机启动模块

电机起动模块见图3。电机在静止或低速运行时,电机的反电势太小而无法检测,不能用来控制换相。这就要求寻找其它方法来进行起动。本文采用的是三段式起动法:转子强制定位、外同步加速和自同步运行。图3中,电机的启动由MATLAB Function来完成,所采用的思想是逐渐增大控制电压的占空比并不断增大电压频率,即升频升压法[4]。具体程序代码如下:

图3 电机启动模块Fig.3 Motor start module

2.3 电机换相逻辑

图4是电机的换相逻辑模块。eabc为采样的反电势信号,经解码将它转换为功率开关管的换相信号,从而控制开关管的导通和关断。转子位置信号与开关管通断关系见表1。

表1 转子位置信号和开关管通断关系Table 1 Relationship between rotor position and switch on-off

图4 换相逻辑模块Fig.4 Commutation logic module

3 仿真分析

系统仿真模型见图5。系统采用电流、速度双闭环控制,采集母线上的电流信号,控制算法均用PID调节。电机参数为:定子绕组电阻R=2.875 Ω,定子绕组电感L=8.5 mH,转动惯量J=0.000 8 kg◦m2,极对数P=4,额定转速N=2 000 r/min,额定电压U=300 V,额定电流I=2 A。

图5中,速度信号N与速度给定信号N_ref经速度环调节器N_PI模块进行调节,输出I_ref,I_ref作为电流给定信号与采集的母线电流信号Idc经过电流PID调节器进行电流调节,模块N_PI1输出的信号CMPR作为比较信号与三角载波比较,从而得到输出占空比可调的PWM控制信号。

Subsystem是反电势检测模块,Subsystem1是电机逻辑换相模块,检测到的转子位置信号经Subsystem1解码,得到功率开关管的控制信号g。Subsystem2是电机启动模块,在电机启动时由此模块进行控制,待电机转速升至一定值后自动切换到自同步状态。

图5 系统仿真模型Fig.5 Simulation module of sy stem

在图5基础上进行大量仿真研究,图6为电机给定转速1 000 r/min在0.1s时刻突加5 N◦m负载的转矩和转速波形,图7为该时刻的A相电流波形;图8为基于A相反电势位置检测信号和实际A相霍尔信号波形,可以看出电机启动之后,由反电势得到的转子位置信号和实际霍尔信号一样,可以用来准确判断电机转子的位置信息,图6、图7也可以看出电机运行状态良好,转速误差为1/1 000,系统满足精度要求。

图6 电机转矩和转速波形Fig.6 Torque and speed wave

4 实验研究及结果分析

4.1 反电势检测电路

基于反电势法实现的转子位置检测的硬件电路见图9,采集到的3路反电势信号首先经过一阶低通滤波,然后与虚拟中性点比较(LM339比较器)得出的方波信号即为转子位置信号。

图9 相电压的反电动势检测电路Fig.9 Back EMF detecting circuit

系统反电势检测电路见图10,A相反电势的输入端是采用电阻分压并经电容滤波后的反电势信号,即图9中的Ua0。比较器的同相输入端接入一个0.05 V的小电压信号,目的是在反电势信号较弱时仍能保证鉴相电路不受外界干扰,其它两相与A相相同,在此不再赘述。

图10 采集反电势的鉴相电路Fig.10 Back EM F phase-recognized circuit

4.2 实验结果

实验结果如图11～图14所示。图11是电机转速300 r/min时由鉴相电路检测到的A相反电势Ua1和霍尔信号的波形。图12为电机转速300 r/ min时,经LM339运放比较后得到的位置信号和实际霍尔信号的对比。可以看出,本文所设计的鉴相电路能够准确判断电机转子位置。

图13、图14是电机转速300 r/min时霍尔信号与反电势检测信号的波形对比。由图中可以看出,当电机转速较高时,延时导致的相位差明显,且时间为2 ms。为使电机准确换相,需要进行延时补偿。

5 补偿措施

由以上实验结果可以看出当电机转速较高时,检测的反电势信号在相位上有一定的滞后。当电机转速较低时滞后时间很小,不会影响电机的正确换相,但转速较高时不能忽略,需进行补偿措施。实验测得,当电机转速＞300 r/min,能够检测到反电动势的信号并可以用来判断换相时刻,此时滤波延时带来的影响可以忽略。当电机转速升至1 250 r/min后,滤波的2 ms延时不能被忽略,应该进行延时补偿。由于本系统无刷直流电机,电机的极对数p=2,电机转一转所需要的时间为1/n,则计算补偿时间的表达式如下: