论文部分内容阅读
摘 要 针对无位置传感器无刷直流电机控制系统进行研究分析，采用在PWM关断时刻进行反电动势检测，从电机端部获得反电动势过零点信号，提高了位置检测的准确性和实时性，拓展了电机的调速范围。对提出的位置检测方案进行了仿真和实验研究，结果表明，所提出的方案具有较好的实用价值。
关键词 无刷直流电机；反电动势检测；无位置传感器；PWM控制
中图分类号：TM301 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）20-0139-01
无刷直流电动机运行效率高、调速性能较好且结构简单易于控制，被广泛应用于电动汽车、仪器仪表等行业。而无位置传感器控制方式提高了系统的可靠性和对环境的适应性，使电机结构简单，安装方便，成本更低，从而进一步扩展了无刷直流电机的应用领域和生产规模。因此，无刷直流电机无位置传感器的控制是国内外较为热门的研究课题。
1 无刷直流电机的控制策略
无刷直流电机系统通常采用转速、电流双闭环控制，其中速度环为外环，电流环为内环。在双闭环调节系统中，转速环主要是调节电机的转速，并达到稳态。输出值由电流环給定，实现电流的跟随，过流自动保护，并抑制电机的扰动。电流环和速度环都采用传统的PI调节，都是通过控制PWM信号的占空比，进而实现电机的转速控制和电流控制。在实际进行设计的过程中，我们要先调节内环，在调节外环。参数的选取主要取决于系统的不同要求。在无刷直流电机控制系统中，我们要调节电流环，电流环稳定后，将其输出作为速度环的给定，再去调节速度环。
本文采用直接反电动势过零检测。该方法采用上桥臂PWM，下桥臂恒通的策略，在上桥臂PWM关断时检测反电动势信号。由于是在PWM关断的期间进行过零检测，因此不含有高频噪声的干扰，可以得到准确过零点。检测到反电动势过零点后，延迟30°才是我们需要的电机换相点。无刷直流电机的启动方式采用三段式启动技术：转子定位、加速运行和自同步切换。通过程序选择预定的两相绕组导通，以PWM控制绕组电流，让转子转到预定位置附近。利用PWM控制对其占空比进行调节，提高电机外部施加的电压值，直到可以检测到反电动势过零点。当可以检测到连续的反电动势过零点后，电机就可以切换到自同步换相状态。
2 仿真结果及分析
电机的参数为：Rs=2.875 Ω，Ldq=8.5 mH，转子极对数Pn=2，转动惯量J为0.0008 kg·m2，额定转速为3000 r/min，仿真时间设定为0.1 s。直流母线电压为300 V，开关频率为10 kHz。
从图1仿真波形不难看出，直流无刷电机的反电动势波形为梯形波，平顶宽度为120°，同时三相反电动势相位相差120°，与电机理论的波形相符。仿真波形可以看出，电流波形基本为方波，转速较为平稳，电机的转速大约在0.03 S后逐渐达到稳态值。存在这些现象的原因：1）电机的换相引起的转矩脉动；2）电机的齿槽效应；3）电机电感限制了电流的变化，所以得到的电流并不是理想的矩形波。当改变负载时，系统能够相应的做出调整，达到稳态。仿真结果表明：无刷直流电机控制系统有效可行，得到的波形与理论相符。
图1 反电动势与电流波形
3 实验波形
图2 电流波形
图3 端电压和换相信号波形
通过前面的理论分析、系统的建模仿真以及软硬件的设计，对此系统进行了实验。该设计以无刷直流电机为实验对象，实验过程所需的无刷直流电机电机参数为：磁极对数为4，额定功率为1 kW。以下图形均是在开关频率为10 kHz下测得的，图2为负载5 N·m，电机转速为500r·min-1时电机的实测A相电流波形，图3为在相同情况下测得的电机端电压波形。
4 结束语
本文采用直接电动势过零法检测转子位置，三段式启动技术，并以matlab/simulink为平台，搭建了无位置传感器无刷直流电机的系统模型。仿真结果表明：波形符合理论分析，系统能够平稳运行，具有较高的调速范围，验证了该策略可行性，且检测电路简单，由于是在PWM关断时检测反电动势过零点，避免了高频信号的干扰，因此不会产生相移。解决了传统反电动势法收到高频信号干扰且会产生相移等问题，适合芯片的集成，从而为无刷直流电机系统的进一步研究提供了良好的基础。
参考文献
[1]谭建强.永磁无刷直流电机技术[M].机械工业出版社，2011：278-279.
[2]邹继斌，江善林，张洪亮.一种新型的无位置传感器无刷直流电机转子位置检测方法[J].电工技术学报，2009.
关键词 无刷直流电机；反电动势检测；无位置传感器；PWM控制
中图分类号：TM301 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）20-0139-01
无刷直流电动机运行效率高、调速性能较好且结构简单易于控制，被广泛应用于电动汽车、仪器仪表等行业。而无位置传感器控制方式提高了系统的可靠性和对环境的适应性，使电机结构简单，安装方便，成本更低，从而进一步扩展了无刷直流电机的应用领域和生产规模。因此，无刷直流电机无位置传感器的控制是国内外较为热门的研究课题。
1 无刷直流电机的控制策略
无刷直流电机系统通常采用转速、电流双闭环控制，其中速度环为外环，电流环为内环。在双闭环调节系统中，转速环主要是调节电机的转速，并达到稳态。输出值由电流环給定，实现电流的跟随，过流自动保护，并抑制电机的扰动。电流环和速度环都采用传统的PI调节，都是通过控制PWM信号的占空比，进而实现电机的转速控制和电流控制。在实际进行设计的过程中，我们要先调节内环，在调节外环。参数的选取主要取决于系统的不同要求。在无刷直流电机控制系统中，我们要调节电流环，电流环稳定后，将其输出作为速度环的给定，再去调节速度环。
本文采用直接反电动势过零检测。该方法采用上桥臂PWM，下桥臂恒通的策略，在上桥臂PWM关断时检测反电动势信号。由于是在PWM关断的期间进行过零检测，因此不含有高频噪声的干扰，可以得到准确过零点。检测到反电动势过零点后，延迟30°才是我们需要的电机换相点。无刷直流电机的启动方式采用三段式启动技术：转子定位、加速运行和自同步切换。通过程序选择预定的两相绕组导通，以PWM控制绕组电流，让转子转到预定位置附近。利用PWM控制对其占空比进行调节，提高电机外部施加的电压值，直到可以检测到反电动势过零点。当可以检测到连续的反电动势过零点后，电机就可以切换到自同步换相状态。
2 仿真结果及分析
电机的参数为：Rs=2.875 Ω，Ldq=8.5 mH，转子极对数Pn=2，转动惯量J为0.0008 kg·m2，额定转速为3000 r/min，仿真时间设定为0.1 s。直流母线电压为300 V，开关频率为10 kHz。
从图1仿真波形不难看出，直流无刷电机的反电动势波形为梯形波，平顶宽度为120°，同时三相反电动势相位相差120°，与电机理论的波形相符。仿真波形可以看出，电流波形基本为方波，转速较为平稳，电机的转速大约在0.03 S后逐渐达到稳态值。存在这些现象的原因：1）电机的换相引起的转矩脉动；2）电机的齿槽效应；3）电机电感限制了电流的变化，所以得到的电流并不是理想的矩形波。当改变负载时，系统能够相应的做出调整，达到稳态。仿真结果表明：无刷直流电机控制系统有效可行，得到的波形与理论相符。
图1 反电动势与电流波形
3 实验波形
图2 电流波形
图3 端电压和换相信号波形
通过前面的理论分析、系统的建模仿真以及软硬件的设计，对此系统进行了实验。该设计以无刷直流电机为实验对象，实验过程所需的无刷直流电机电机参数为：磁极对数为4，额定功率为1 kW。以下图形均是在开关频率为10 kHz下测得的，图2为负载5 N·m，电机转速为500r·min-1时电机的实测A相电流波形，图3为在相同情况下测得的电机端电压波形。
4 结束语
本文采用直接电动势过零法检测转子位置，三段式启动技术，并以matlab/simulink为平台，搭建了无位置传感器无刷直流电机的系统模型。仿真结果表明：波形符合理论分析，系统能够平稳运行，具有较高的调速范围，验证了该策略可行性，且检测电路简单，由于是在PWM关断时检测反电动势过零点，避免了高频信号的干扰，因此不会产生相移。解决了传统反电动势法收到高频信号干扰且会产生相移等问题，适合芯片的集成，从而为无刷直流电机系统的进一步研究提供了良好的基础。
参考文献
[1]谭建强.永磁无刷直流电机技术[M].机械工业出版社，2011：278-279.
[2]邹继斌，江善林，张洪亮.一种新型的无位置传感器无刷直流电机转子位置检测方法[J].电工技术学报，2009.