李明

（上海交通大學(xué) 上海市 200030）

無刷直流電機(jī)無位置傳感器初始位置估算

李明

（上海交通大學(xué) 上海市 200030）

無刷直流電機(jī)大多以霍爾元件、光電碼盤等位置檢測元件作為位置傳感器，但當(dāng)制作小電機(jī)時，位置傳感器的弊端就很明顯。對直流電機(jī)的控制還可以通過檢測電機(jī)的磁鏈、電流和電壓等物理量，再經(jīng)過相應(yīng)的處理間接地求得電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，如此可以使得無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單，可靠性進(jìn)一步提高。

無刷直流電機(jī)；位置傳感器

引言

無位置傳感器無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測大多采用反電動勢法，但是當(dāng)電機(jī)零速時反電動勢法就很難檢測到轉(zhuǎn)子位置，使電機(jī)啟動變得困難。我們常根據(jù)定子線圈電感磁飽和效應(yīng)，當(dāng)定子線圈的磁場與轉(zhuǎn)子磁場方向相同或不同時，電子磁阻、電感量、定子電流的變化來判斷轉(zhuǎn)子位置。

1 檢測原理

定子線圈中通過的電流由小到增大時，定子鐵芯的磁通量將逐漸增大，如果定子與轉(zhuǎn)子磁通量方向一致，磁通量將不再隨著電流的增加而增加，鐵心進(jìn)入飽和狀態(tài)，定子磁阻增大，線圈的電感隨飽和狀態(tài)變小，定子電流變小。反之，如果定子與轉(zhuǎn)子磁通量方向不一致，磁飽和現(xiàn)象減弱，電子磁阻變小，電感變大，定子電流變大。由于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁場的作用，如果轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，定子電感則會隨著轉(zhuǎn)子位置的改變而規(guī)律變化，轉(zhuǎn)子磁場和電子脈沖磁場對電子電感產(chǎn)生影響，進(jìn)而產(chǎn)生不同的電流反饋。因?yàn)槎虝r脈沖電壓和時間由單片機(jī)給定，屬于已知量，所以L與成反比。當(dāng)給予定子短時脈沖后，不同的電流值對應(yīng)不同的鐵芯電感值，如若電流值增大則電感值L變小，反之，若電流值減小則電感值L變大。零速轉(zhuǎn)子位置檢測就是以此為基礎(chǔ)的。

2 電子零速時轉(zhuǎn)子定位基本步驟

（1）依據(jù)電機(jī)參數(shù)和性能選擇合適的瞬時檢測脈沖，按照一定的次序施加到定子繞組上，將采樣電流值與位置電流值對比。假設(shè)電機(jī)為二二導(dǎo)通，順時針旋轉(zhuǎn)。先導(dǎo)通B向上半橋VT3和AC兩相下半橋VT4、VT2，對電機(jī)施加某一寬度的脈沖檢測電壓V1，產(chǎn)生合成感應(yīng)電動勢記為F1，產(chǎn)生的采樣電流記為I1；再導(dǎo)通B相下半橋VT6和AC上半橋VT1、VT5，對電機(jī)施加某一寬度的脈沖檢測電壓V4產(chǎn)生的合成感應(yīng)電動勢記為F2，產(chǎn)生的采樣電流記為I4。如果I1＞I4，則認(rèn)為轉(zhuǎn)子N極位于磁動勢V1所在的半圓呢，由此確定轉(zhuǎn)子N極所在的180°電角度范圍，如圖1陰影部分所示。反之亦然。

圖 1 180°分解

（2）同理，對電機(jī)施加脈沖檢測電壓V2，V6，對應(yīng)的采樣電流I2、I6，轉(zhuǎn)子位置比較接近采樣電流較大的電壓矢量，如果I1大于I2和I6，則轉(zhuǎn)子位置如圖2陰影部分所示。

（3）如果采樣電流I2大于I6，則可斷定轉(zhuǎn)子位置位于圖6陰影部分區(qū)域，若I2小于I6，則斷定轉(zhuǎn)子位置位于圖3部分陰影區(qū)域，反之如圖4陰影區(qū)域。

（4）這樣經(jīng)過三步檢測可得3個位置代碼，如果定義順時針方向?yàn)殡妱訖C(jī)正方向，可以得到檢測位置與開關(guān)管導(dǎo)通次序。根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)子位置信息確定產(chǎn)生最大平均轉(zhuǎn)矩相序，施加寬加速脈沖，轉(zhuǎn)子加速。依次進(jìn)行加速-檢測-加速-檢測，直到足夠建立反電動勢。

圖 2 60°分解

圖 3 30°分解

圖 4 30°分解

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)平臺：200W直流無刷無感電機(jī)，60MHz1GS/s數(shù)字示波器，200W12V無刷直流電機(jī)控制器，數(shù)字電路檢測模塊。磁極對數(shù)p=8，電機(jī)槽數(shù)為12，直流電壓12V，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，每相繞組電阻1.9Ω，反電動勢常數(shù)2.2mV/rad.s-1，圖5為初始位置估算波形圖。

仿真結(jié)果表明，采用本文所提出的無傳感器方法，可以準(zhǔn)確識別轉(zhuǎn)子位置，建立開關(guān)管導(dǎo)通次序。

4 結(jié)論

本文利用電機(jī)轉(zhuǎn)子的凸極性和電樞鐵芯的磁飽和性，提出了一種基于電壓脈沖注入的零速時轉(zhuǎn)子初始位置估算方法。這種方法是利用永磁體轉(zhuǎn)子在電壓信號情況下因?yàn)榇判詮?qiáng)度不同產(chǎn)生的不同電流信號，判斷初始位置。通過試驗(yàn)和分析可得，采用本文所使用的方法可以準(zhǔn)確判定轉(zhuǎn)子位置，完成電機(jī)的起動，且不會引起振動和反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，起動轉(zhuǎn)矩脈動有所減少。

圖5 轉(zhuǎn)子初始位置估算波形圖

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