無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)

周沙　袁琛

摘 要 無刷直流電機(jī)換相是通過檢測出轉(zhuǎn)子的具體位置來獲取換相信號，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)子按照預(yù)先設(shè)置好的方向旋轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)的帶位置傳感器控制方法相比，無位置傳感器控制方法具有簡單、準(zhǔn)確、高效等特點(diǎn)，因此具有很大的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 無刷直流電機(jī) 位置傳感器

中圖分類號：TM35 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

在無刷直流電機(jī)領(lǐng)域中，在設(shè)備上裝有位置傳感器的無刷直流電機(jī)被稱為帶位置傳感器的無刷直流電機(jī)。目前常用的位置傳感器一般有電磁式、光電式和磁敏式等幾種類型。位置傳感器的引入，雖然能有效檢測出轉(zhuǎn)子位置，但也帶來了許多不便，比如增大了電機(jī)體積。因此，人們開始將眼光聚集到無位置傳感器控制技術(shù)上來。該技術(shù)的核心是先測量電機(jī)運(yùn)行時可獲取的電機(jī)的相電壓和相電流等信息，然后分析這些信息與電機(jī)轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系，得出一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式或者換相邏輯，進(jìn)而控制電機(jī)運(yùn)行，減少了位置傳感器，電機(jī)的性能和應(yīng)用范圍大大提高。目前常用的無位置傳感器控制方法有以下幾種：

1反電勢法

反電勢法檢測轉(zhuǎn)子位置的原理主要是利用電機(jī)反電勢波形和電機(jī)換相點(diǎn)之間的關(guān)系得出來的。假設(shè)無刷直流電機(jī)采用兩兩導(dǎo)通、三相六狀態(tài)控制方式。那么以電機(jī)A相為例，其反電勢和電流波形如圖1所示。圖中實(shí)線為A相反電勢波形，虛線為A相相電流波形，Q1和Q2分別為電機(jī)的換相點(diǎn)，對比反電勢波形和換相點(diǎn)可以看出，A相反電勢每次過零點(diǎn)之后，在經(jīng)過30€暗緗嵌齲緦骺薊幌唷0湊照庵止叵擔(dān)匏⒅繃韉緇讜誦泄討校綣看味寄蘢既返玫降緇吹縭乒愕愕氖笨蹋緩笤詿聳笨躺涎郵？0€暗緗嵌齲湍苤賴緇幕幌嗍笨蹋傭既房刂頻緇幌嗪馱誦小7吹縭品ㄒ泊嬖誆蛔悖緇倉棺刺狽吹縭拼笮∥悖諂舳彼俁裙停吹縭乒愕悴蝗菀準(zhǔn)觳庾既罰虼誦枰浜系緇舳際酰緇俁忍嶸揭歡ㄊ島蟛徘謝恢練吹縭品刂??？

圖1：反電勢與電流波形關(guān)系

2電感法

反電勢法檢測轉(zhuǎn)子位置方法的缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自啟動，但通過電感法來檢測電機(jī)靜止時的位置不存在此問題。電機(jī)低速時，反電勢太小無法被檢測出，但電流幅值容易被檢測出來，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，鐵心線圈電感大小受電機(jī)磁路飽和影響，無刷直流電機(jī)定子繞組電感和相電流、轉(zhuǎn)子位置具有一定的函數(shù)關(guān)系，電感法就是基于以上原理提出來的。具體實(shí)現(xiàn)方法是在電機(jī)靜止時，給電機(jī)繞組施加高頻電壓脈沖，檢測繞組中的電流幅值大小，如果每次給電機(jī)注入的電流脈沖信號大小和方向不一樣的話，電感也不一樣，若能在恰當(dāng)?shù)臅r間間隔內(nèi)對正、反方向的相電流進(jìn)行檢測，得到電感差異后，再利用轉(zhuǎn)子位置與電機(jī)電感之間的關(guān)系，就能獲取轉(zhuǎn)子位置信息。該方法能彌補(bǔ)反電勢法在電機(jī)靜止和低速時存在的不足，但需要頻繁的檢測電流幅值，依賴于高精度的電流檢測，實(shí)時性要求比較高，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。

3狀態(tài)觀測器法

電機(jī)運(yùn)行過程中，能實(shí)時測量的物理量只有電機(jī)的相電壓和相電流信號，但若以電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)理論，一些未知的量，如反電勢可以通過數(shù)學(xué)關(guān)系式表示出來，如果能通過電機(jī)數(shù)學(xué)模型建立一些狀態(tài)觀測函數(shù)，然后以電機(jī)電壓和相電流信號的測量值作為狀態(tài)變量，估計(jì)出所需要信號的觀測值，并將此觀測值進(jìn)行反饋控制，狀態(tài)觀測器法就是運(yùn)用以上原理。該方法以電機(jī)電壓、電流可測量得到的參數(shù)作為狀態(tài)變量，根據(jù)無刷直流電機(jī)的反電勢與相電壓、相電流之間的關(guān)系建立狀態(tài)觀測器，得到反電勢的估計(jì)值，再通過反電勢的過零點(diǎn)與換相點(diǎn)之間的關(guān)系，制定換相邏輯，就可以控制電機(jī)換相。在電機(jī)重載或者高速情況下，利用反電勢或者電感法難以對電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確控制，而狀態(tài)觀測器具有自適應(yīng)能力和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能解決上述的問題。但狀態(tài)觀測器控制一般都相對復(fù)雜，需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計(jì)算。而計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和一些具有強(qiáng)大計(jì)算能力的DSP控制芯片出現(xiàn)，為該方法提供了技術(shù)的支持。

總之，無位置傳感器控制方法已經(jīng)逐步取代了帶位置傳感器法在電機(jī)中的地位和應(yīng)用，不斷完善和改進(jìn)無位置傳感器控制方法，對無刷直流電機(jī)領(lǐng)域來說具有重要的實(shí)際意義，這也必將使無位置傳感器無刷直流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。

參考文獻(xiàn)

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