无刷直流电机无位置传感器控制技术

1、 2007,34(5控制与应用技术 EMC A 无刷直流电机无位置传感器控制技术胡 波, 徐国卿, 康劲松(同济大学电气工程学院,上海 200331摘 要:设计了一种无位置传感器无刷直流电机的控制系统。该系统基于智能功率模块(I PM和数字信号处理器(DSP,采用反电势法实现了燃料电池轿车空调的无刷直流电机控制。整个系统集成度高,控制灵活,稳定性好。试验结果表明,该系统运行性能良好。关键词:无刷直流电机;无位置传感器控制;反电动势中图分类号:TM301.2 文献标识码:A 文章编号:1673-6540(200705-0021-03R esearch on Sensorl ess Control

2、 T echnology of Brushless DC M otorH U Bo, XU Guo-q i n g, KANG J in-song(D epart m ent o f E lectrical Eng i n eering,Tong jiU niversity,Shangha i200331,ChinaAbstrac t:A k i nd o f var i able speed contro l syste m of a brus h less DC mo tor w it hout a ro tor positi on senso r is de-s i gned.Based

3、 on i nte lli gent pow er m odule(IP Mand d i g ita l si gna l processor(DSP,t h is system uses Back-EM F(e-lectro m otive forcem et hod to i m ple m en t the sensor l ess control for brush l ess DC m o t o r of h i gh vo ltag e a ir conditi oner (HVACi n FC V.T he sy stem is high l y i n teg ra ted

4、 w ith flex i ble contro l and strong reli ab ility.Experi m ental results i nd-ica te tha t th i s syste m has a high perfor m ance.K ey word s:brush less DC mo tor;sensorless con tro;l back-electro m otive force无刷直流电机(br ush less DC m o tor,简为BLDC M具有调速性能好、体积小、效率高等优点,在很多领域得到了广泛的应用。转子位置传感器对于BLDC M正

5、常工作具有十分重要的作用,它为电机提供基本换相信息。但位置传感器存在一定的弊端,不仅增加了成本和电机结构的复杂性,而且在一些高精度及环境复杂的场合,位置传感器的信号会受到干扰,使系统的性能降低。因此,研究BLDC M无位置传感器控制技术是十分必要的,这也是目前BLDC M研究的热点之一。1 无位置传感器BLDCM控制技术1.1 转子的定位和起动BLDC M在静止或低速时感应电势为零或很小,很难用来判断电机转子磁极的位置,因此必须利用其他方法对电机转子进行定位和起动控制。近年来,国内外学者对无位置传感器BLDC M转子的定位和起动研究主要集中在以下几种方法:三段式起动方法、预定位起动法、脉冲检测

6、起动法、外部硬件电路起动方法等。本课题采用预定位起动法。预定位起动法分为转子定位、他控同步加速运行、自控同步运行三个阶段。在起动阶段,按照所需的转向依次改变逆变器功率器件的触发组合状态,同时用端电压反电动势法检测各触发组合状态所对应开路相的反电动势过零点,并通过提高P WM占空比逐渐提高电机的外施电压1。1.2 转子磁极位置检测方法无位置传感器BLDC M的转子位置检测方法有以下5种:反电动势法、电流法、状态观测器法、人工智能法和磁链函数法。前3种方法的研究相对比较成熟,且都已得到一定程度的应用,而用人工智能方法和磁链函数法获得转子位置的研究还刚刚处于起步阶段2,3。检测反电动势过零点或利用反

7、电动势直接检测换相点的方法是最常用的位置检测方法。其实现拓扑电路多采用端电压法或相电压法,即在一定的调制方式下利用无刷直流电机的端电压或相电压检测反电动势过零点或换相点来实现换相控制。反电动势过零点法又分为直接反电动势法、21 控制与应用技术 EMCA 2007,34(5反电动势积分法和定子三次谐波法等几种。直接反电动势法(也称端电压反电动势法是通过测 量三相绕组的端电压与中性点电压实现的。当某相端点电位与中性点电位相等时,则此刻该相反电动势过零,反电动势过零后再延时30 电角度即为触发功率开关管进行换向的时刻4。1.2.1 反电动势过零点检测公式推导从BLDC M 的等效电路模型出发,可以得

8、到 U a U b U c=R +dd t 00R +d dt000R +d d ti ai b ic +E a E b E c+U n U n U n(1本系统中采用的是两两导通三相六状态工作方式。由电机学原理可得出三相反电动势过零检测方程分别为 E a E b E c=U a U b U c-12011101110U a U b U c(2或 E a E b E c=U aU b U c a U bU c (3式(2和式(3在反电动势过零点附近是等效的5。由于系统采用P WM 方式,所以检测到的端电压信号中将包含大量的斩波成分。因此在实际应用中一般将端电压U a

9、、U b 和U c 先进行分压,再经过低通滤波,由此得到检测信号U ao 、U bo 和U co 。本系统采用如图1所示的检测电路,则 E ao E bo E co =U ao U bo U co aoU b oU co (4式中:E xo =k E x ;其中:x =a ,b ,c ;k =R 2/(R 1+R 2;R 1=R 3=R5;R 2=R 4=R 6。1.2.2 低通滤波电路的设计电机的端电压信号中不仅包含有反电动势信图1 反电动势法端电压法检测电路号,而且还含有斩波信号。斩波信号的存在会严重干扰反电动势波形,使得过零点不明确,因此在反电动势位置检测电路中

10、一般都会增加低通滤波电路(见图1。然而滤波器的引入必然会产生相移,因此在实际应用中必须对换相时刻进行适当的相位修正。由图1可方便地算出检测电路产生的相移,以A 相为例,其中U a 为端电压,U ao 为滤波后的输出电压,f 为反电动势频率, 为相角延迟。按基波计算有U aoU a=R 2R 1+R 2+j2 fR 1R 2C 1(5 =arc tan2 fR 1R 2C 1R 1+R 2(6其中,R 1和R 2数量级相同(k ,C 1取值较大( F,该电路的相移与以上器件的选取有关,同时还与输入信号的频率有关,所以在调速过程中必须动态地进行相位补偿。在大的调速范围内,相位延迟角一般都超过30

11、,此时,延迟30- 进行换相的原理已经不能满足设计的要求。针对这一问题本文在软件设计时采用了的90 - 的换相原理(90 换相原理如图2所示。图2 90 - 延迟换相示意图22 2007,34(5控制与应用技术 EMC A1.2.3 转子位置硬件检测电路BLDC M 的转子位置检测电路中,采用3个比较器电路检测反电动势过零点,如图3所示。其中,R 1=R 3=R 5,R 2=R 4=R 6,并且R 2R 1。将电机的三相端电压信号与中心点电压信号比较的3个结果分别输入至DSP 的3个捕获中断端口,从而DSP 在一个周期内可捕获到6个反电动势过零点信号。 图3 转子位置硬件检测电路2 控制系统硬

12、件设计 无位置传感器BLDC M 的驱动控制系统由BLDC M 、主电路、驱动电路、控制模块、端电压检测电路、转子位置硬件检测电路等组成。图4为整个系统的框图。其中控制模块包括TI 公司的DSP 处理器T M S320LF2407、看门狗电路、输入输出调理电路等;驱动电路包括了故障保护电路;主电路采用三菱公司的I P M 模块。端电压检测电路和转子位置硬件检测电路分别见图1和图3。 图4 电机控制系统框图3 试验结果和波形按照图4的系统框图设计硬件,采用375V 直流电源供电,对用于电动轿车额定功率为3k W 、极数为4的空调电机进行试验。电机从起动到他控升速再到自控状态,都能平滑切换并正常运

13、行,其运行转速范围为10005000r/m i n 。图5和图6是空调电机的试验波形。图5中,中心点波形为图3中U n 处的波形,A 相反电动势过零比较信号为图3中S a 处的波形。图6中各相反电动势过零比较信号为图3中S a 、S b 、S c 处的波形。试验证明,采用端电压反电动势法检测空调无刷电机转子位置的方法是切实可行的。1-A 相端电压波形;2-A 相滤波后端电压波形;3-中心点电压波形;4-A 相反电动势过零比较波形图5 3000r /m i n 时空调电机试验波形1-A 相反电动势过零比较信号;2-B 相反电动势过零比较信号;3-C 相反电动势过零比较信号图6 3000r /m i n 时各相反电势过零比较信号参考文献1 吴筱辉,程小化,刘杰.反电势法检测转子位置的无刷直流电机起动方法J.微电机.2005,38(4:79-81.2 董富红,沈艳霞,纪志成.永磁无刷直流电机无位置传感器估计方法综述J.微电机.2003,36(5:39-46.3 OGA S AW ARA S S ,AKAG I H.A n appro