|
|
| 無刷直流電機轉子位置檢測技術綜述(ZXJ) |
| |
| |
摘要：無刷直流電機是一種先進的機電一體化裝置，無刷直流電動機及控制技術由于其本身特點．使具成為驅動控制領域的研究焦點。該文根據無刷直流電機無位置傳感器控制特點，分析了無刷直流電機工作原理，結合國內外基于無刷直流電機轉子位置檢查控制的相關文獻，綜述了無刷直流電機轉子位置檢測控制方法發展概況，并針對每種控制方法鬧述了其優缺點。
關鍵詞：無刷直流電機；位置檢測；控制策略0 引 言傳統的永磁無刷直流電動機均需一個附加的位置傳感器，用以向逆變橋提供必要的換向信號。相對于無刷直流電機傳統的位置傳感器，軟件轉子位置辨識技術有著諸多優點，硬件電路減少，增強了電路可靠性，降低了環境對傳感器精度的影響，減少連線，減少了電路的干擾。因此無刷直流電機無化置傳感器慢慢將成為以后尢刷直流電機系統的主流。
目前無刷直流電機無位置傳感器控制研究的核心和關鍵是構架轉子位囂信號檢測線路，從軟、硬件兩個方面來間接獲得可靠的轉子位置信號，以觸發導通相應的功率器件，驅動電機運轉。近年來，國內外均出現了很多的位置信號檢測方法，其中較為成熟的主要有反電動勢法、定子三次諧波法、續流二極管法等。文中總結了無刷直流電機無位置傳感器轉子位置的估計方法，詳細論述了各種有效的檢測手段，并針劉無刷直流電機無位置傳感器控制方法進行分類總結，這對研究新方法以及實踐應用都具有指導意義。
1 無刷直流電機工作原理
無刷直流電機保持著有刷直流電機的優良機械及控制特性，在電磁結構上和有刷直流電機一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉子上放置****磁鋼。
無刷直流電機的電樞繞組像交流電機的繞組一樣，采用多相形式，經由逆變器接到直流電源上，定子采用位置傳感器實現電子換向代替有刷直流電機得電刷和換向器，各項逐次通電產生電流，和轉子磁極主磁場相互作用，產生轉矩由于無刷直流電動機的氣隙磁場小是正弦波分布的，而是矩形分布的，這就意味著兀刷直流電動機的反電動勢為梯形波，梯形波反電動勢意味著定子和轉子問的互感是非正弦的，因此將無刷直流電動機-州方程變換為dp方程是比較困難的。可以把無刷直流電動機等效成電路圖如圖1所示：
2反電勢法
反電動勢法是目前應用最為普遍的無位置傳感器檢測方法，其基本原理是通過檢測各相繞組反電勢的過零時間來判斷轉子磁極的換相位置，從而控制功率器件的開通與關斷。如果忽略無刷直流電機的電樞反應，則定子繞組每相感應電勢可以近似認為就是該相繞組的反電勢，由于三相無刷直流電機采用。相全控曲兩通電方式工作，任意時刻總有一機斷電．檢測斷電一相繞組的反電勢過零時刻，再經過延遲處理，即可得到功率器件的出發時刻。
此種方法雖然比較簡單，但有兩個主要缺點：
①反電勢幅值與轉速有關，所以在低速和電機啟動時，反電勢幅值很低或者為零，很難通過檢測反電勢幅值額得到正確的換相信號，所以僅在穩定運行時準確度較高。②由于此方法在原理上做了近似處理，忽略r無刷直流電機的電樞反應，而實際反電勢的過零點與合成的氣隙磁場產生的感應電勢的過零點并不重合，所以得到的換相信號存在一定誤差；另外由于檢測到的反電勢信號存在較多毛刺與干擾，需要用濾波電路進行濾波，而濾波電路會對電路造成一定的相位滯后，使得延遲時間不冉是l／12，的時間，整個電路需要加上誤差補償。
(1)改進型反電勢檢測針對上述直接反電勢檢測法的缺陷，在很多文獻巾都提出了一種改進方法。他們都是將直流電壓Ed分壓為U／2，而不是三項端電壓合成電壓(巾性點電壓)作為參考電壓，所以不需要進行濾波，也沒有相位滯后。同時有文獻[1]提出的電路并不是對每個換相信號進行采樣比較，而是對。。路信號進行采樣，三個信號進行60。強制換相交替進行，簡化了控制方法，也增加了可靠性，能夠在一定程度上避免岡為換相信號不準確而造成的電機失步。
(2)判定反電勢法國內外也有研究提出了另一種基于反電勢法判定換相時刻的方法。該方法的主要理論依據為：
在某相電勢過零點時，中性點電壓為u／2，且導通兩相的自感相等。基于永磁無刷直流電機定子繞組電感是轉子位置的函數這一特點，通過檢測導通兩相自感是否相等來判斷斷開一相電勢是否過零點，檢測電機中性點電壓的波動情況可以推斷出定子繞組電感的關系，從而判斷出轉于的位置。檢測的方法具體為：采用上下橋臂均進行PwM調制的方法(H-PwM-PwM)，定義一個與中性點電壓和時間有關的兩數，通過在一個PwM周期內檢測該函數值是否為零來判斷斷開一相反電勢是否過零點。冉延遲30。即得到換相信號。
與傳統的反電勢法相比，這幾方法并不直接將反電勢與巾性點電壓進行比較，從而小需要進行濾波，也不會帶來相位滯后，是一種改進的且比較實用的反電勢力‘法。
(3)反電勢積分法與反電勢過零檢測相比，也有很多研究提出了另_種檢測方法，反電勢積分法。這種方法的基本思想是：在傳統的反電勢法中，反電勢過零點滯后30。為電機的換相點，而無刷直流電機每隔60。
換相一次，此法在反電勢過零點再經過90。后開始換相，而積分電路恰恰能夠滿足電流超前電壓90。的關系，所以采用積分電路來實現轉子磁極位置的檢測，巾積分器的輸出與參考電壓進行比較，從而得到換向信號，原理如圖5所示。
與傳統的反電勢法相比，反電勢積分法因為換向延遲角度與積分電路延遲角度恰好相等，不像反電勢法延遲角度過大(30。)而容易造成電機失步。所以這種方法的控制性能更好，電機的運行特性也更穩定。在低轉速或者啟動時可以采用倍頻倍壓的方法使得反電勢易于檢測。
反電勢積分法中也有不同的方法，有的文獻提出了另一種不同原理的反電勢積分法：反電勢邏輯電平積分法。這種方法的原理是：利用過零比較器將每相反電勢Ea，Eb，Ec轉化成邏輯電平VA，Vb，Vc，根據相位關系，確定轉子位置。其工作過程如圖6所示：
這種方法將幅值這一模擬量轉化為邏輯電平，所以檢測時只需檢測電平極性而不用檢測大小，從而避免了反電勢法中啟動和低速時反電勢幅值不好檢測的問題，改善了電機的低速性能；濾波器只需要濾除掉高頻噪聲，引入的相位移很小，避免了反電勢法中檢測電路帶來的相位滯后。
3新型無刷直流電機位置檢測技術
(1)定了電壓一次諧波法定子電勢三次諧波檢測方法也是一種新穎的檢測轉子位置的方法。這種方法的基本原理：把三相端電壓寫成如下形式：
再把每相反電勢通過傅里葉分解，最后把三相相電壓相加，ia，ib，ic結果為三次諧波與高次諧波(9次，15次……)之和。其中三次諧波占整個基波幅值的66％，通過濾波器濾除高次諧波即可得到三次諧波信號，如圖7所示。
把提取的三次諧波信號進行積分可得到轉子磁通三次諧波信號出，其中各個變量的波形關系如圖8所示。
由圖可以看到，轉子磁通三次諧波過零點就是定子繞組換相點，所以通過檢測該信號的過零點就可以判斷換相時刻。與反電勢法相比，定子三次諧波法反電勢三次諧波頻率是基波三倍，因此在低速是更容易檢測，擴大了電機的運行范瞄，特別是改善了電機低速時的運行特性；三次諧波信號高次諧波的含量少，幅值小，容易濾除，所以濾波器簡單，容易實現。所存在的問題是：這種方法必須要有中心點電壓來獲得三次諧波信號，在巾性點電壓不便引出得情況下不方便使用此方法。
(2)電流變化率法有的文獻[16—18]提出基于電流變化率的檢測方法。該方法通過取2個電流傳感器檢測電機繞組兩相的實際電流的絕列值，得到實際母線電流的幅值，再和母線參考電流進行比較。該方法源于電機導通階段內電流幅值并不是突變，而是逐漸上升這‘原理，檢測電流變化的斜率，根據斜率變化中包含的信息計算功率管的6個換向時刻。主要原理為：
根據電路有關系：
即通過檢測電流變化率的斜率來檢測電勢變化位置從而獲得位置信號，在每一個相反電勢變化率為零的時候即為換向位置。
電流法的實現主要依賴于傳感器的精度，一般情況下，傳感器能夠較好地獲得電流大小(即平均值)的信號，而對電流相位和波形的細小變化則很難能夠檢測到，而且開關頻率以及控制器運算速度也對電流法制約較大，因此電流法的應用較少，在工程上也不太實用。
(3)續流二極管法續流_二極管法的基本原理是通過檢測監視三相逆變器里的電流通路來獲得轉子位置信號。通常研究的無刷直流電機采用星形連接三相兩兩導通方式，三相繞組中總有一相處于斷開狀態，于是判斷六個續流二極管的導通就可獲得六個功率晶閘管的開關順序，其本質還是反電勢法．在每個功率器件導通的120。內前60。實行PwM斬波控制。因為二級符導通時管壓降很小，所以擴大了電機調速范圍，基于這種方法的控制系統最多能夠實現電機轉速小于100 r／min。
這種方法存在如下幾個比較突出的缺點：①它要求逆變器必須T作存上下功率器件輪流處于PwM斬波方式，控制難度加大；②它必須從軟件、硬件兩方面去除二極管續流導的無效信號和因毛刺十擾而產生的無導通信號。③未檢測二極管導通情況必須提供六路獨立電源，增加了電路復雜程度然而并沒有改善1．作性能。正岡為如此，在同內外很少有無刷直流電機無位置傳感器使用這種方法，相關的文獻也比較少。
(4)磁鏈函數法反電勢法及其改進方法雖然一定程度L能夠實現對電機繞組換相的控制，但是由于其本質上還是對反電勢及其變換量的檢測，而反電勢與轉速有關，在低速時這此方法都不能夠很好地滿足要求。針對這一問題，有很多的研究都提到了一種新的方法：磁鏈函數法。這種方法的主要思想是：構造了一個與磁鏈有關的函數來描述轉子位置，利用測量定子電壓和電流而估算出磁鏈，再根據磁鏈與轉子位置的關系估計出轉子的位置。
寫出相電壓方程，將相電壓寫作桐電流、電阻、自感、互感、轉子位置以及磁鏈的函數。磁鏈兩數為轉子永磁體上產生的磁鏈，是轉子位置的函數。
忽略電流飽和以及黼感，忽略鐵耗，將磁鏈寫成與電流、電感與磁鏈函數有關的量。利用三相繞組自感互感相等以及三相電流之和為零推導出線電壓表達式。該表達式是電阻、電流、自感、互感以及線磁鏈兩數的函數。線磁鏈函數是兩項磁鏈函數之差。
將線磁鏈兩數的微分定義為線函數，從線電壓的表達式里推出線函數的表達式。該函數里面還有轉速量m。
為消去轉速ω，進一步變換，將兩項線函數之比定義為估計函數。估計函數與轉速無關，它儀儀是轉子位置θ的函數。利用這個函數值去估計轉子位置，從而實現定子換相。
通過這個與速度無關的位置函數的應用，速度從近零點(額定速的l.5％)到高速的換向瞬間都能夠估計出來。因為位置函數的形式在整個速度范幽內都是一樣的，所以在瞬態和穩態時都能夠提供精確的換向脈沖。與反電勢法相比，它在電機低速的情況下運行性能更好，同時不需要檢測定子電勢，減小了電路的復雜性，降低了成本。
該方法雖然不需要硬件電路的檢測，但是需要控制器對各個參數進行實時運算來控制換相，這對控制器的處理能力有較高的要求，有可能兇為運算時間過長而影響換相，同時電增加了軟件的難度。
另外由于電機內部結構的非線性以及在電機運行時問長時由于溫度引起的參數變化都會使得估計出現誤差。
(5)電感法在無刷直流電機中繞組電感會根據轉子位置的不同而變化，這是網為轉子位置的變化使得定子與轉子磁場耦合程度改變，這樣的改變也會使得電機中性點的電壓改變。同時在反電勢法的改進方法中也提到，根據計算在反電勢過零點的時候．中性點電壓為1／2u，一相斷開，導通的兩相繞組電感相等。根據這一原理，通過檢測各相定子繞組的電感值，經過比較運算之后就可以得到轉子位置信號。
還有一種電感法是針對凸極電機而使用的，在凸極電機中繞組自感可以看做是繞組軸線與轉子直軸夾角的函數，通過檢測電感值經過計算可以大致地獲得轉子位置信息，再根據鐵心飽和程度的變化趨勢來確定極性，從而獲得精確的位置信號。不過這種方法只能應用存凸極電機上，應用不廣。
從原理J一說電感法有一定的可行性，但是主要的制約因素是電感值的檢測。通常檢測電感值是通過傳感器將電感值轉變為電信號，而由于電機內部本質上是一個非線性系統，由于電機漏電抗，氣隙磁通變化的不確定性對繞組電感的干擾而導致檢測的不準確對換向信號的干擾作用十分明顯，所以這種方法也不是特別常用(6)卡爾曼濾波法卡爾曼濾波器法的思想是從一組有限的對物體位囂的包含噪聲的觀察序列預測出物體的坐標位置及速度。狀態觀測器法是現代控制理論發展應用于無刷直流電機上的一種新型的控制方法，它的基本原理是：打破了傳統方法中電壓電流與轉子位置的關系，從無刷直流電機的基本方程經過離散變換得到以輸入轉矩，系統噪聲為參數的關于轉速ω與位置角度θ的狀態方程，然后根據卡爾曼濾波公式和無刷直流電機模型，確定經變換后的各個參數的維數，帶人卡爾曼遞推公式就可以得到經過卡爾曼濾波之后莢于轉速和角度的預測方程，、這種方法由于在算法上的理論支持，所以能夠較好的濾除掉系統產生的干擾信號，對轉子位置的預測也比較準確。但是其應用并不是很廣泛，因為算法復雜導致軟件編寫困難以及對控制器運算速度的要求較高，增大了開發成本。另外預測方程巾的估測參數仍是繞組電壓電流，因此參數確定的精確程度也一定程度上左右了這種方法的可行性。相關義獻24]對這種方法做了一定程度上的介紹。
(7)擾動觀測器法文獻[25]提出了一種新的榆測轉子位置的方法：
擾動觀測器法。這種方法的主要原理是：將無刷直流電機的非線性歸算到反電勢中，然后把反電勢看做一個常量的擾動。設計一個擾動觀測器，用于觀測反電勢的過零點，此過零點包括了轉子真正的過零點信號以及其他的干擾，將這個干擾信號消除掉，把過零信號分離出來，就能實現對反電勢過零信號的檢測。與狀態觀測器法一樣，它也是現代控制理論在無刷直流電機上的應用，因此算法的準確性以及濾波器參數的設計決定了該方法的準確性，同時該方法的控制策略不涉及轉速，因此調速范圍也比較寬。
與狀態觀測器法一樣，這種方法使得程序變得復雜同時對控制器運算速度要求較高，在一般的系統中使用也比較少。
(8)神經網絡法有文獻[26]提出這種方法，同前面兩者一樣，也是基于現代控制理論的控制方法。主要原理為：
將定子電壓電流寫成相量形式，然后寫出基于實際測得的相電壓相電流算得的磁鏈實際值與基于轉子位置得到的磁鏈預測值，預測值由訓練好的RBF神經網絡獲得。然后用兩者的偏差來修正RBF神經網絡的權值，使得預測值漸漸逼近真實值。通過不斷地獲得數據來訓練神經網絡的熟練性。
這種方法的出發點就是基于電機系統的非線性，RBF‘有著良好的非線性能力，因此在處理電壓電流信號后能獲得準確度很高的轉子位置信號，不足的是系統過于復雜，實用性不強。
(9)渦流法有文獻[27]提出渦流效應法。這種方法的基本原理是在表面粘貼非磁性導電材料，通過測量導電材料中由于轉動而產生的渦流對開路一相相電壓的影響來判斷轉子位置。
這種方法在電機啟動或者低速的時候能夠保障可靠運行，但是由于要在轉子上加入其它材料，為了檢測方便通常需要改變轉子形狀，增加了工藝上的難度，應用已不是很廣泛。
(10)其他方法針對電壓檢測法巾速度變化，濾波器等帶來的誤差，文獻[28]提出了基于通過檢測相電流來獲取轉子位置的方法。而文獻[29]提出使用多個參數的狀態方程來估計轉子位置信號的方法，較之之前的狀態觀測器法，參數的增多有利于各個參數之間誤差自適應消除，使得總的位置誤差變得更小，但是由于參數里含有轉速變量使得低速時效果不好：以及其他文獻[30]提出的用非線性觀測器來觀測電壓電流信號，這樣運算過于復雜，實踐性不強。
4結語
無刷直流電機轉子位置辨識方法有許多的種類，但就目前來看，反電勢及其各種改進方法還是應用****，技術最成熟的方法。雖然其在理論上做了一定程度上的近似而且在低速是性能有待提高，但是由于檢測方便，對控制器要求較低，簡單可靠，而且工程上對其誤差的修正也比較容易，從而使該種方法成為無刷直流電機轉子位置檢測的主流；電感法，電流法，渦流法等由于對傳感器的高要求以及實現的困難從而應用較少；而各種基于現代控制理論以及先進算法的無位置傳感器雖然在檢測精度以及調速范圍上遠遠****于反電勢法，但是由于算法的復雜性以及對控制器運算速度上的要求，使得成本偏高，只能在對性能要求較高的場合使用。
中國步進電機網（www.b-motor.com） |
| |
|
