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直流无刷电机的位置估计分析

时间:05-27 16:52 点击:23

直流无刷电机霍尔传感器安放在轴或转子延伸段永磁体组成的磁轮对面就可以检测到转子位置。这只是提供了足够的换相信号,对三相无刷电机而言,也就是每个电周期6个。这些较少的离散脉冲数不适合于高性能的应用场合。光学编码器和旋转变压器可以提供高分辨率的转子位置信号,但是它们比较昂贵。而且需要大量的安装准备工作。因为成本和制造的负担,所以大批量的应用中需要去掉它们。许多方法都可以估计换相信号,下面进行简略的讲述:

 

1)使用直流无刷电机模型进行估计:利用外加的电流和电压以及电阻、自感和互感这些电机参数可以从直流无刷电机模型中得到感应电动势。这种方法的优点是可以提取出来孤立的信号,这是因为电流和电压这些输入变量本身就是孤立的信号。直流母线电压的变化可以从直流母线滤波器的参数和直流母线电流估计得到。参数的敏感性,特别是定子电阻,会在感应电动势的估计中产生误差,导致给逆变器的换相信号不准确。

 

2)从传感线圈得到感应电动势:在直流无刷电机中安装传感线圈的成本较低,用于获得感应反电动势信号。这种方法的优点是信号相当完整,对参数不敏感,并且电流隔离。缺点在制造过程和来自于直流无刷电机的附加导线。例如,因为密封的需要,所以后

者就不适用于冰箱压缩机电机的驱动。

 

3)利用未通电的相得到反电动势:得到位置信息最常用的一种方法是,当相绕组未通电时,监测电机该相的感应电动势。注意直流无刷电机在任意给定的时刻只有两相导通,即一相3.33%的时间是不通电的。在这段时间,感应电动势出现在直流无刷电机的绕组,可以被检测到。相感应电动势产生过零点的信息,并且当反电动势达到恒定的区域,预示了该相应该通电的时间。感应电动势的极性决定了注入到直流无刷电机中的电流合适的极性。为了不用等待感应电动势的恒定区域去给电机的一相通电,从感应电动势的过零点得到一个特殊的值,与离过零瞬间30°相对应。积分器的输出对应着离正向过零点30°,可称为阈值以用于一相通电中。

假设一个梯形波的感应电动势,当转子电气角速度为Wb时其峰值为EP,任意转速下感应电动势上升部分的斜率可以用该转速下的电压峰值比上与电气角度30°对应的时间间隔给定。

尽管传感器输出电压不同,但可以相应证明这种算法也可以适用于感应电动势为正弦波的无刷电机。注意传感器输出电压是个常数,不依赖于无刷电机的参数,其幅值在任何转速下都相等。唯一可能对传感器输出电压带来不利影响的是由于转子永磁体的温度特性,其使得转子磁通减少,导致感应电动势的峰值下降。这可能会带来这样的误差:通电可能不会恰好像需要的那样,在离过零点电气角度为30°时。如果不使用其他校正的措施,直流无刷电机可能得不到最佳的利用。

 

4)感应电动势的3次谐波:一种替代的方法是检测电机绕组内感应电动势的:3次诸波,并且利用它们去生成控制信号。一个三相星接四线制的系统允许采集感应电动势的3次谐波,并且可以利用4个电阻器进行廉价的测量。

 

5)基于人工智能控制的方法:智能控制器例如神经网络,或者模糊控制器可以从直流无刷电机的变量例如电流和磁链中提取出转子位置或者换相位置。它们只是从潜在有转子位置信息或者换相情况的变量中提取反馈信息的技术。这些技术是自适应的,使得在一段时间内控制器通过自学习持续寻优。随着当前处理器的速度越来越快,使得在实际应用中给控制器编程变得更加实用。这些控制器最大的缺点是神经网络控制器在运行前必须需要自学习。它可以提供离线自学习的功能。

所有的这些依赖于感应电动势的方法都有这样的缺点:在停止的时候,获取不到位置信息,因为速度为零时没有感应电动势。甚至在速度非常低的时候,感应电动势也可能不会被容易地检测到。因此,为了成功地将直流无刷电机起动到一定的速度,并且在这个速度下用感应电动势的方法可以可靠地生成位置信息,必须包含一种在速度为零以及附近生成控制信号的方法。因此,直流无刷电机静止时需要一个起动过程。这个过程可以由两步构成,下面进行具体分析:

 

步骤1:给一相或两相通电,转子可能会对齐到一个已经定好的转子位置。这样,初始位置已知,因此可以生成正确的启动控制信号。当转子开始运动在较低的转速,感应电动势非常低,直到转子达到一定的速度之前,它都不能被用来产生换相脉冲。这就需要第二步去完成启动过程。

 

步骤2:一旦转子开始运动,定子相绕组会通以频率缓慢变化的电流以保持定子电流不变。频率的变化率保持较低,以便保持同步性,并且如果负载已知,也可以适当地被控制。如果不知晓,定子的频率将反复试验着改变,直到达到能满足感应电动势的幅值足够用来控制的最低转速。这构成了起动过程的第二步。这种方法的问题是不够精确,在起动过程可以感觉到一些抖动和振动,这可能在许多应用场合不太有意义。在许多情况下,第一步可以跳过,只用第二步来起动直流无刷电机。

 

单片机解决方案:在市场上有许多用于控制直流无刷电机的单片机解决方案可供使用,基于之前讲述的有传感器和无传感器运行的方法,包括起动的策略。它们在12~48V低压的范围非常受欢迎,这涵盖了一个较宽的应用范围。当考虑无刷电机驱动用于高电压范围时,必须小心谨慎,因为开关噪声对控制电路的干扰变得显著起来,并且在这种环境下要求控制方法具有鲁棒性。在高压范围内,常规的控制器产品主要用数字信号或者其他形式的微处理器控制。

 

用于永磁同步电机,利用凸极性,使用信号注入来寻找电感的方法,这是另外一种寻找转子位置的技巧,需要在直流无刷电机的应用中讲述。它对表贴式和交直轴电感无明显差异的直流无刷电机没有太多的帮助。注意用于寻找电感的信号注入方法在注入的频率也需要在基波矢量上叠加旋转矢量。在流无刷电机中基波矢量不是由一组平滑的正弦电压或电流构成的,这限制了这种方法的广泛应用。


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