無位置傳感器的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

引言

　　傳統(tǒng)上把具有梯形波反電勢的永磁同步電機(jī)稱為直流無刷電機(jī)。直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制需要轉(zhuǎn)子位置信息來實現(xiàn)有效的定子電流控制。而且，對于轉(zhuǎn)速控制，也需要速度信號，使用位置傳感器是直流無刷電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)，但是，位置傳感器的存在也給直流無刷電機(jī)的應(yīng)用帶來很多的缺陷與不便：首先，位置傳感器會增加電機(jī)的體積和成本；其次，連線眾多的位置傳感器會降低電機(jī)運行的可靠性，即便是現(xiàn)在應(yīng)用最多的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區(qū)；再次，在某些惡劣的工作環(huán)境、例如在密封的空調(diào)壓縮機(jī)中，由于制冷劑的強(qiáng)腐蝕性，常規(guī)的位置傳感器根本無法使用；最后，傳感器的安裝精度還會影響電機(jī)的運行性能，增加了生產(chǎn)的工藝難度。

　　無位置傳感器控制技術(shù)是近30年來無刷直流電機(jī)（BLDCM）研究的一個重要方向。論述了國內(nèi)外BLDCM無位置傳感器控制的研究現(xiàn)狀。著重介紹了目前應(yīng)用和研究較多的幾種常規(guī)方法的基本原理、實現(xiàn)途徑、應(yīng)用場合以及優(yōu)缺點等，并對它們作了綜合分析和比較。無位置傳感器控制就是在沒有機(jī)械式位置傳感器的情況下進(jìn)行的控制。此時，作為逆變器開關(guān)換向?qū)〞r序信號的轉(zhuǎn)子位置信號仍然是必不可少的，只不過不再由位置傳感器來提供，而應(yīng)該由新的位置信號檢測措施來代替，即以提高電路和控制的復(fù)雜性來降低電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

　　目前，BLDCM無位置傳感器控制研究的核心是構(gòu)架轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路，從軟硬件兩方面間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號，從而觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的功率器件，驅(qū)動電機(jī)運轉(zhuǎn)。到目前為止，在眾多的位置信號檢測方法中，應(yīng)用和研究較多的主要有定子電感法、速度無關(guān)位置函數(shù)法、反電勢法、基波電勢換向法和狀態(tài)觀測器法等。

　　1基于反電勢的轉(zhuǎn)子位置檢測方案

　　無刷直流電機(jī)（BushlessDCMotor，BLDCM）具有無換向火花、運行可靠、維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，因而在很多場合得到了廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的BLDCM需要一個附加的位置傳感器來控制轉(zhuǎn)子位置，這給其應(yīng)用帶來了很多不利的影響。BLDCM的無位置傳感器控制在近30年中一直是國內(nèi)外較為熱門的研究課題［1］。目前，對于BLDCM的無位置傳感器控制，針對不同的性能要求和應(yīng)用場合，人們已經(jīng)提出了多種不同的控制理論和實現(xiàn)方法，例如定子電感法、速度無關(guān)位置函數(shù)法、反電勢法、基波電勢換向法、狀態(tài)觀測器法等。本文在簡要論述BLDCM無位置傳感器控制研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了目前應(yīng)用和研究較多的幾類方法的基本原理、實現(xiàn)途徑、應(yīng)用場合及優(yōu)缺點。

　　當(dāng)電機(jī)速度大于零時，每個電周期內(nèi)某相反電勢為零的位置只有兩個，可以從圖1所示通過過零點時反電勢的斜率來區(qū)分這些位置，每一段對應(yīng)電周期內(nèi)的60°區(qū)間。換向發(fā)生在每一段的邊界處，反電勢過零點和需要換向的位置之間有30°的偏移，需要對其進(jìn)行補(bǔ)償。

圖1反電勢過零點

　　在任一時刻只有兩相通電，且流經(jīng)這兩相的電流相反，圖2所示為W相用于反電勢檢測時的情況。當(dāng)U相內(nèi)流經(jīng)正向電流（定義為流向星型連接中心點的電流），V相內(nèi)流經(jīng)負(fù)相電流時，對應(yīng)圖1中區(qū)間6Q和1Q時，此置位的1動作。假設(shè)通電相的兩端總是對稱地分別連接到DC電源地兩個端點上，則星型連接中心點的電壓總是1/2VDC，與加在這兩個通電相繞組上的電壓極性無關(guān)。

　　上述方法很容易通過硬件實現(xiàn)，即通過分壓電路對三相的端電壓和VDC分別進(jìn)行采樣，并將采樣值送入比較器的比較端口，得到的過零點時刻即為1/2VDC的時刻。使用一個可用的定某相反電勢經(jīng)過時器測量60°（即兩次反電勢過零點之間）的時間。