正弦波无刷直流电机的新型转子位置检测方法

1、第22卷 第 12期 2002年12月文章编号中 国 电 机 工 程 学 报Proceedings of the CSEEVol.22 No.12 Dec.2002徐永向哈尔滨工业大学电气工程系A NOVEL DETECTING METHOD OF THE ROTOR POSITION OF PMSMZOU Ji-bin, XU Yong-xiang, YU Cheng-longABSTRACT: This paper presents a novel method using onelatched Hall IC to detect the rotor position of PMSM in

2、 widespeed range to overcome the limitation of other recentdetecting methods. The conversion and compensation of therotor position signal are analyzed in detail. The steadyprecision and the harmonics of three-phase reference voltagesin dynamic state are analyzed. Speed-stabilization control of a30,0

3、00 r/min PMSM is achieved with this method. Thetheoretical analysis and experimental results show that thismethod has the wide detecting range and the high precision. Sothe method is especially suitable for speed-stabilization control.KEY WORDS: PMSM; detection of the rotor position; speedrange; spe

4、ed-stabilization摘要该文提出了一种以单个锁定型霍尔元件实现的宽转速范围正弦波无刷直流电机转子位置检测方法同时对该位置检测方法的静态误差和动态过程中给定电压谐波进行了分析4 r/min的高速同步电机驱动理论分析和实验结果表明很适合稳速控制正弦波无刷直流电机转速范围大而且安装调试复杂常用的正弦波无刷直流电机转子位置估计方法有电感法计算量大成本也较假想坐标法在超前定子某相绕组轴线90º电角度位置加一个锁定型霍尔从中可以同时提取转子位置信号和速度信号将该方法用于稳速系统中检测的转子位置信号误差很小转轴尽可能设计得短一些如果在高速电机的转轴上安装位置传感器而且高速正弦波无刷直流

5、电机的绕组电感小因此本文将该检测方法用于额定转速为3额定功率为3.3kW的高速正弦波无刷直流电机系统中实现了高速正弦波无刷直流电机的稳速控制并具有较高的静态和动态稳速精度TM351 文献标识码转矩波动小运行可靠光电编码器来产生正弦波参考信号近年来发展很快在定子适当位置安放一个霍尔元件霍尔元件就会输出一个上升沿和下降沿与转子磁场强度B048中 国 电 机 工 程 学 报第22卷的过零点相对应的方波信号便得到数字式的转子位置信号经D/A转换和放大后即得正弦波参考电压霍尔元件的输出应与某相绕组的空载反电势同相位某些电机超前 某相绕组轴线90°电角度位置并不在某个齿上而为了安装的方便对于安装

6、位置与理想位置的偏差可由电路进行校正补偿距离铁芯和绕组有一定的距离霍尔输出数字化的转角2某相参考电压图霍尔输出与对应的转子位置关系Fig.1 Schematic diagram of the generation ofthe reference voltage位置信号的转换和补偿由于开关霍尔输出信号只能反应转子位置的过零点本文采用锁相技术绝对零位产生电路补偿量分频与二进制输入输出相位低通压控V补偿0(t)比较器滤波器振荡器电路Vh(t)为霍尔输出信号设二进制输出位N位Ve(t)正比于Vh(t)和Vf(t)的相位差这电压控制压控振荡器的频率变化直到相差为零Vh(t)和Vf(t)的频率相位都相同V

7、o(t)正好是Vh(t)的2N倍频稳态时因此同时于是每一个二进制数(QN1Q0)2对应一个位置角度则对应的角度x为xx=N2 (1)绝对零位使得Vh(t)和Vf(t)的零位总是相同所以这样提高了跟踪速度和跟踪准确度如图3所示所以而不影响精度vid/V2t/10ms(a) 补偿前vid/V2t/10ms(b) 补偿后图补偿前后的位置信号和相空载电势Fig.3 The signal of the rotor position and the EMF ofphase A before compensation and after compensation用数字式的转子位置信号x去查表霍尔的输出信号与

8、A相给电压参考信号如图4所示由于Vo(t)正好是Vh(t)的2N倍频Vv(t)与Vh(t)的频率成线性关第12期邹继斌等所以可以作为速度反馈信号vid/V2vid/V5t/10ms图霍尔的输出信号与A相给电压参考信号Fig.4 The output of the Hall IC andthe reference voltage of phase A精度及动态过程分析精度这种转子位置检测方法的检测精度是分频系数决定检测精度为稳速运行位置检测精度达0.7032ÎÈËÙÔËÐÐʱË

9、9;ÒÔÈçͼ4所示当前周期小于上一个周期绝对零位已使查表从头开始反之当前周期大于前一个周期这将产生给定谐波电压在一般情况下波形畸变不明显使得相邻两个周期相差很大在减速情况下的AÉÏÃ沨ÐÎΪA相锁相环中的相位比较器只根据两个信号的上升沿来确定相位差在位置信号和反馈方波信号的上升沿之前在位置信号或反馈方波信号的上升沿之后加速时减速时这是一个动态过程在位置信号和反馈方波信号的上升沿之后是最新的周期在加速时波形有些下凹在方波信号的上

10、升沿后一小段时间内理论上但这在一般情况下很小如图5²¨ÐÎÍâ͹Ҳ²¢²»Ã÷ÏÔvid/V5t/20ms图减速情况下的A相与B相给定参考电压Fig.5 The reference voltages of phase A andphase B when speed is decreased文献4对动态过程中的三相参考电压基于转角的函数进行了傅立叶分析在加速度不是特别大的情况下相邻两个周期差T较小动态稳速精度达1.

11、2%ËùÒÔÇ°ºóÁ½¸öÖÜÆÚÖ®²îºÜС图6给出了T/T=0.01ÔÚÕâô´óµÄ¼ÓËÙ¶ÈÏÂ0 2 4 6 8 10 n/th谐波次数图 T/T=0.01&#

12、184;÷Ïà²Î¿¼µçѹÎÞг²¨²Î¿¼µçѹÐźÅËäÈ»»áÓÐһЩµÄ»û±äÒò&#

13、180;Ë第12期王国玉等 金晓明,王树青,荣冈(Jin Xiaoming,Wang Shuqing,Rong Gan).预测函数控制(PFC)一种新型预测控制策略(Predictive functionalcontrol(PFC)one new control strategy)J.化工自动化及仪表(Control and Instruments in Chemical Industry),1999,26(2)结论通过以上理论分析和实验结果本文提出的一单个霍尔进行位置检测并实现正弦波驱动的方法是可行的2ÊʺÏÓÚ

14、2;àÖÖתËÙÒªÇóµÄÕýÏÒ²¨ÎÞË¢Ö±Á÷µç»úϵͳ该方法在稳速时在动态过程中很适合于稳速系统A Supper high-speed PM motordrive system by a quasi-current source inverterJ19943683-690China Electric Power Press),1996,242.收稿日期作者简介1977-博士研究生智能控制理论及应用1959-教授研究方向为智能控制理论及应用分散控制系统研究和计算机视觉1971-博士研究方向为模糊控制鲁棒控制及热工过程软测量技术1971-博士研究生研究方向为计算机辅助