北京kok体育苹果版电机有限公司
Beijing  YongGuang  Micro-Motor  Manufacturing  Co.,Ltd.
 
新闻详情

基于绕组电感的无刷直流电动机无位置传感器控制

来源:北京kok体育苹果版电机有限公司作者:李利网址:浏览数:3882

   摘要:反电动势法是无刷直流电动机无位置传感器控制中技术最成熟、应用最广泛的方案。然而,反电动势法不适用于低速和零速。为了解决这个问题,提出了一种基于绕组电感变化的新方法,并通过仿真和实验加以验证。最后,为进一步的研究和应用提出一些实用的建议。

0引  言

   无刷直流电动机以其体积小、性能好、结构简单、可靠性高、输出转矩大、动态性能好等优点得到了广泛应用。由于无刷直流电动机无法自动换向,因此需要设法获取转子的位置信息,根据它来控制功率逆变从而完成无刷直流电动机的换向控制。传统的无刷直流电动机都需要采用位置传感器获取转子位置信息,这对电机的可靠性、制造工艺要求等带来不利的影响。因此,无位置传感器控制成为无刷直流电动机的重要发展方向。反电动势法不能在低速和静止状态下检测转子位置。尽管三段式起动法等方案可以解决反电动势法的起动问题,但还是不能解决初始位置的定位和低速稳定运行的问题。

   本文利用深饱和电机的绕组电感随转子位置变化的特点,提出了一种断电相电流检测法,即三相电机以两两导通方式运行,在断电相注入高频脉冲电压。由于断电相的脉冲电流峰值与电感大小成反比,而电感又是转子位置的函数,因此,通过检测断电相的电流峰值变化,就可以得到转子位置信息。这种方法与速度无关,理论上可以实现从零速到高速情况下的转子位置检测。该方法注入的高频脉冲电压的频率可达10 kHz以上,因此电机转过很小角度就可以检测一次转子位置,提高了位置检测的精度。

1无刷直流电动机的数学模型

 图l  无刷直流电动机剖面图和定子铁心磁化曲线图

   由图1的磁化曲线图可知,深饱和电机的定子绕组的磁导率μr随着磁场强度H的增大而不断减小(图中虚线范围内)。而磁通φ和电感系数L分别与B和μr成正比关系,因此φ与L也有类似的关系。由无刷直流电动机剖面图可知,转子磁极S正对着A相绕组时(记此时转子位置θ=O°),A相绕组的磁通φ最大,此时的电感系数L最小,随着转子逆时针旋转,磁通φ不断减小,L不断增大。直到θ=90°,φ有最小值,L有最大值。同理,可以分析90°~360°电角度范围内电感系数随着θ变化的规

律,电感系数和转子位置的关系是以180°为周期的类似波浪形的曲线。图4是本文所用电机测量得到的相电感与位置关系图。由图4可知,绕组电感可以表示成位置的函数,主要是常数项和位置角θ的二次项,其他高次谐波项所占比例很小,文献[4]提到,忽略电感系数的高次谐波项带来的误差在工程计算中是允许的。为了分析方便,忽略次要问题,做如下假设:

   (1)相绕组完全对称,定子电流、转子磁场分布皆对称。

   (2)忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响。

   (3)绕组电感可以表示成位置θ的函数,只有常数项和θ的二次项。

如图2所示,三相绕组电压平衡方程可以表示为:

  (1)式中:R为绕组电阻;Ua、b、Uc为电机三相绕组的相电压;ia、ib、ic为电机三相绕组的相电流;ea、eb、ec为电机三相绕组的相反电动势;La、Lb、Lc为三相绕组的自感,Mab、Mba●!ac、Mca、Mbc、Mcb为绕组间的互感,本文的电机互感很小,可以忽略不计;Un为绕组中点电压,通过两个大电容将Un固定为寻。因此,可以将式(1)简化为:

   (2)

 图2无刷直流电动机驱动电路结构原理图

2原理分析

   以a相为检测相为例,由式子(1)可得:  (3)

   为了抑制导通相电流耦合到非导通相而引起的检测误差,应将无刷直流电动机设计成互感很小的电机。等式右边(pl)ia分量远小于其他分量,可以忽略。又由于检测电流很小,相电阻压降也很小,可以忽略不计,所以等式(3)可以简化为: (4)

   如图3所示,高频脉冲电压控制检测相α相的上/下桥臂时,认为相邻两个脉冲时刻t1、t2时刻的La、ea、Un分别近似相等,则有: (5)

    图3  电压脉冲时序图

   忽略相电感的高次谐波分量,则相电感可表示为La(θ)=L0一L2COS(2θ),θ=0。对应α相电势过零的转子位置。由于脉冲电压的频率在10 kHz以上,因此,由式(5)可以获得转子的准确位置。

3仿真结果分析

   本文采用的无刷直流电动机参数为:极对数p=5,相电阻R=2.75 Ω,电感系数L=0.023 7 H,L2=0.011 5 H,反电势系数Ke=1.248 V/(rad?s),直流母线电压U=36 V,所加电压脉冲时间和断开时间分别为t1=50μs和L2=100μs。图4是本文使用电机测量得到相电感与转子位置的关系图,说明仿真中电感模型可取为La(θ)=L一L2COS(2θ)。

    图4相电感与位置关系图

   本文由式(2)得到以电流量为状态变量的状态方程,通过4阶龙格库塔法求解状态方程。用Mat-lab的M—FILE编写仿真程序,仿真步长为1μs。仿真和实验中无刷直流电动机是在另一电机驱动下运行,α相注入脉冲电压,b、c相不加电流,测量不同转速时α相在360。电角度范围的电流值。图5中的上图是在不同转速时α相的电流波形,下图是由上图中某一脉冲的电流峰值减去前一脉冲的电流峰值得到的电流差值△ia与转子位置关系图。由图5可知,对于相同的转子位置p,不同转速下的电流差值△ia大小近似相等。不论速度大小,换向位置的电流差值△ia也都近似相等。

   图5检测相A相的电流

4实验结果分析

   实验的电机参数和仿真一样,图6为实验原理图。由于实验的电机互感很小,互感的电压分量远小于相电压 ,可以忽略。因此,实验中b、c相电流为零,尽管与电机实际运行情况有所不同,也是合理的。图7和图8是某相绕组注入脉冲电压后用数字示波器得到的电流波形,与仿真结果基本一致,电流峰值随着转子位置有明显变化。

  图6实验的原理图

 图7零速时电流波形  

 图8 200r/min时电流波形

5结  论

   本文介绍的断电相电流检测法,理论上可以实现无刷直流电动机的低速稳定运行,仿真和实验结果证明了其可行性。但采用这种方案时要注意以下几点:

   (1)尽量采用电感随转子位置变化较大的电机,比如本文用嵌入式深饱和电机。

   (2)相间互感尽可能小。

联系方式
 
 
 工作时间
周一至周五 :8:00-17:00
 联系方式
于海腾:010-83971821
姜宇:010-83510840
周围:010-61402950