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        無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)仿真及試驗研究

        2013-11-21 08:00:26焦曉雷高延麗
        電機與控制應用 2013年10期
        關(guān)鍵詞:反電動勢直流電機檢測法

        焦曉雷,高延麗,潘 勁

        (1.南瑞集團公司,江蘇 南京 210003;2.湖南電力公司檢修分公司,湖南 長沙 410012)

        0 引言

        傳統(tǒng)直流電機采用電刷以機械方式換向,因而存在噪聲、火花和無線電干擾等問題,而且制造成本高、維修比較困難。無刷直流電機(Brushless DC Motor,BLDCM)用電子換向替代傳統(tǒng)直流電機的機械換向裝置,使其同時具有了傳統(tǒng)直流電機易于控制,以及異步電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點,從而在航空航天、數(shù)控機床、機器人、辦公自動化等許多領(lǐng)域得到了廣泛應用[1]。但是,傳統(tǒng)的BLDCM一般采用外置式位置傳感器對轉(zhuǎn)子位置信號進行檢測,不僅會使電機的成本增加、結(jié)構(gòu)復雜、體積與重量增大,同時也會降低電機的運行可靠性,大大增加了電機的生產(chǎn)和維修的難度[2]。因此,研究BLDCM無位置傳感器控制技術(shù)是目前的一個重要方向[3]。

        本文首先建立了BLDCM的數(shù)學模型,分析了BLDCM無位置傳感器的工作原理,建立了BLDCM的仿真模型,最后通過試驗驗證了所搭建BLDCM無位置傳感器控制系統(tǒng)的有效性和準確性。

        1 無位置傳感器BLDCM工作原理

        1.1 BLDCM的數(shù)學模型

        采用具有梯形反電動勢的BLDCM,三相橋式Y(jié)形聯(lián)接,120°兩兩導通方式。其中假設BLDCM在工作過程中磁路不飽和,不計渦流和磁滯損耗,三相繞組完全對稱。BLDCM等效主電路原理如圖1所示。

        圖1 BLDCM等效主電路圖

        在此電路拓撲結(jié)構(gòu)下,BLDCM的三相電壓子系統(tǒng)數(shù)學模型為

        式中:Ua,Ub,Uc——三相定子繞組輸入端對地參考電壓;

        ia,ib,ic——定子繞組相電流;

        ea,eb,ec——定子繞組反電動勢;

        R——定子繞組相電阻;

        L——繞組電感;

        Ls——每相繞組自感;

        M——每兩相繞組間互感;

        U0——中點電壓。

        BLDCM運動子系統(tǒng)數(shù)學模型為

        式中:ω——轉(zhuǎn)子機械角速度;

        Te、TL——電磁轉(zhuǎn)矩,負載轉(zhuǎn)矩;

        J——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量;

        Bv——黏滯摩擦系數(shù)。

        1.2 BLDCM無位置傳感器工作原理

        BLDCM的位置檢測方法主要有:端電壓積分法、電壓檢測法、電流檢測法、三次諧波電壓檢測法、反電動勢法等。本文采用的是線反電動勢過零點檢測法。

        BLDCM采用的是兩兩導通方式,所以在每一刻只有兩相導通,這兩相電流大小相等方向相反,另一相相電流為零,所以三相電流的總和為零,當電機只有兩相導通時,將式(1)中三式相加可得

        電機的線反電動勢為

        由式(4)和式(5)可知,電機轉(zhuǎn)子位置與電機相反電動勢和線反電動勢密切相關(guān)。相反電動勢過零點作30°電角度的延時,就是電流的換相點。線反電動勢的過零點則直接就是換相點,不需要再作任何延時。圖2為相反電動勢、線反電動勢與電機轉(zhuǎn)子換相點的示意圖。由圖可知,線反電動勢與電機轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系比相反電動勢與電機轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系更直觀。

        圖2 相反電動勢、線反電動勢與電機轉(zhuǎn)子換相點關(guān)系示意圖

        2 BLDCM無位置傳感器控制系統(tǒng)仿真分析

        無位置傳感器電機模型中沒有傳感器模型,換相信號由線反電動勢過零點檢測法得到。但是反電勢法在電機起步階段并不適用,本文仿真系統(tǒng)中采用三段位起動法[4],起動階段結(jié)束后,通過切換開關(guān)切換至普通的PI控制。

        基于上文分析,通過MATLAB搭建無位置傳感器BLDCM的仿真模型。模型中主要包括BLDCM本體模塊、電壓逆變模塊、電機起動模塊、相電壓采集模塊、速度控制模塊等。仿真中電機模型采用參數(shù)如下:額定電壓UN=500 V;額定轉(zhuǎn)矩TN=3 N·m;額定轉(zhuǎn)速nN=3 000 r/min。

        圖3為利用三段位起動法得到的電機轉(zhuǎn)子位置電角度圖,可見在電機起動階段,電機轉(zhuǎn)速在不斷上升。

        圖3 電機起動階段轉(zhuǎn)子位置電角度

        圖4 為線反電動勢與各個時刻換相點之間的關(guān)系??梢?,結(jié)果與前文理論分析一致,三個線反電動勢的過零點,就是換相點。

        圖4 電機三相線反電動勢與換相點

        圖5 為電機空載下的轉(zhuǎn)速響應曲線。由圖可知,利用“三段式”方法起動,轉(zhuǎn)速能夠在較短時間內(nèi)跟蹤給定轉(zhuǎn)速,達到較理想的起動效果。起動完畢后,系統(tǒng)通過切換開關(guān)切換到電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)PI控制,能夠達到較理想的控制效果。

        圖5 電機轉(zhuǎn)速響應曲線

        3 無位置傳感器控制系統(tǒng)試驗分析

        基于美國TI公司高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812搭建BLDCM無位置傳感器控制系統(tǒng),主要由主電路、采樣電路、驅(qū)動電路和保護電路等組成。系統(tǒng)的硬件控制框圖如圖6所示。

        圖6 硬件控制系統(tǒng)框圖

        主控制板由DSP2812和外圍電路組成,完成控制算法,輸出驅(qū)動信號,對輸出輸入信號進行處理;電流采樣電路采用外部AD芯片AD7864;驅(qū)動板電路的核心部分是功率管MOSFET和驅(qū)動芯片構(gòu)成的逆變裝置,通過接收DSP發(fā)出的6路PWM信號,并把PWM信號加上專門的驅(qū)動電路構(gòu)成MOSFET的控制電路。TMS320F2812主頻高達150 M,其高速計算性能為實現(xiàn)實時智能控制算法提供了良好的平臺,而且系統(tǒng)的控制精度高,抗干擾能力較強。

        試驗用BLDCM參數(shù)如表1所示。

        表1 試驗電機參數(shù)表

        圖7為電機空載運行時AB線電壓的波形。因為系統(tǒng)在采樣時加了濾波電容,故圖中的電壓波形沒有出現(xiàn)二極管續(xù)流引起的脈沖。

        圖7 AB兩相線電壓波形圖

        圖8 為空載時VT1功率管的PWM驅(qū)動信號波形。通過反電動勢確定轉(zhuǎn)子位置信號后,經(jīng)變換得到的VT1功率管的PWM驅(qū)動信號波形。

        圖8 空載時VT1功率管的PWM換相信號波形

        從圖7和圖8可看出,在電機空載運行過程中,本文設計的控制系統(tǒng)能夠比較準確的預測轉(zhuǎn)子的位置信號,從而為電機提供準確的換相信息,電機運行情況平穩(wěn)。

        4 結(jié)語

        本文主要研究BLDCM無位置傳感器控制系統(tǒng),通過理論分析和試驗驗證得出了以下結(jié)論:

        (1)采用DSP實現(xiàn)了BLDCM無位置傳感器控制,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、速度快、便于擴展,同時由于DSP優(yōu)異的控制性能和速度,系統(tǒng)還可以實現(xiàn)更為復雜的控制算法。

        (2)采用線反電動勢法在線電壓與轉(zhuǎn)子位置之間建立了聯(lián)系,大大簡化了系統(tǒng)分析的計算難度。同時,系統(tǒng)能夠較準確地檢測到轉(zhuǎn)子的位置信號,并能為電機提供準確的換相信號。試驗運行結(jié)果與仿真波形一致,證明了所設計系統(tǒng)的有效性和合理性。

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