基于电感测量无位置传感器无刷电机实验研究 - 图文(2)

第一章 绪论

1.1.1 永磁无刷直流电动机概述

直流电动机主要优点是调速和启动性能好，堵转矩大，因而被广泛应用于各种驱动装置和伺服中。但是，直流电动机都有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严重地影响了电机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰，缩短电机寿命，换向器电刷装置又使直流电机结构复杂、噪音大、维护困难，因此长期以来人们都再寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。随着电子技术的迅速发展，各种大功率电子器件的广泛采用，这种愿望已被逐步实现。

无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使

这种电机既具有直流电动机特性，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点；它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转速中运行。因此，无刷直流电动机用途非常广泛，可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体，把先进的电子技术应用于电机领域，这将促使电机技术更新、更快的发展。

无刷直流电机是由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成，

直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电动机的转动。

图1.1 无刷直流电动机的原理图

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直流电源 开关线路 电动机 位置传感器

1.1.2 无位置传感器无刷电机控制

无位置传感器无刷直流电机(BLDCM)的控制,是指不依赖位置传感器,通

过另外的方式得到转子的位置信号、角速度等状态量,从而确定逆变器功率管的切换,进而对定子绕组进行换相,保持定子电流和反电势在相位上的严格同步的一种控制方式。在无位置传感器的控制方式中,研究的核心问题主要是如何通过软件和硬件的方法,构建一种转子状态量的检测电路。由于可以直接测量到的一般只有相电压和相电流这两个量,因此,国内外研究成果所提出的无位置传感器控制方法中,绝大部分都是基于以上两个观测量的。

1.2选题的意义及研究内容

1.2.1 无位置传感器无刷电机起动方法及存在的问题

一般地，无刷直流电动机的起动有两种方法:外同步方式起动和预定位方式起动。无刷直流电机的外同步驱动方式需要人为地给电机施加一由低频到高频不断加速的外同步切换信号，使电机以外同步方式由静止逐步加速运转。这种起动方式需要经过多次的试验才能获得最佳的切换点，而且电路较为复杂。本系统采用预定位方式起动，以下给出具体的分析。

预定位方式起动分为两个步骤。第一步为强迫预定位，即在起动开始时给电机一个确定的通电状态，电机定子合成磁势在空间上有一个确定方向，把转子磁极拖到与定子合成磁势轴线重合的位置，实现预定位。如图1.2(a)所示。

图1.2 转子定位过程示意图

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第二步为起动，改变电动机的通电状态，使定子合成磁势转向下一个位置，在电磁转矩的作用下拖动转子磁极向定子磁势轴线方向移动。如图1.2(c)所示。在转子转动过程中产生电动势，在这个过程中同时投入反电势过零信号检测及相时间控制程序，使电机切换到无刷电机运行方式，从而完成电机的起动。

采用这种起动方式，需要注意的两点问题是：

1. 在切换瞬间转速要足够大，保证能够有效地检测到反电势信号。 2. 为可靠定位，需要经过短暂的延时，保证在进入起动阶段前电机转子经过几次摆动后稳定在平衡点上。

由于静止时电机转子位置的不确定性，如果在定位之前其位置恰好处于如图1.2(b)所示位置，转子磁极位于与定子合成磁势轴线垂直的位置时，此时电机转子不会旋转到图1.2(a)，定位失败。

这时，采用连续“二次定位方法”可以解决这一问题，即在第一次定位的基础上，接着给出下一个通电状态，这样无论第一次定位成功与否，第二次定位一定是正确的。

1.2.2 本项目的研究内容

根据无刷直流电动机理论，转子的位置变化使得磁路的磁阻显著的变化（对采用内嵌式磁钢或凸极转子的电机而言），无刷直流电动机相电感和转子的位置有对应关系。电感测量法就是基于这种关系，通过检测内嵌式（IPM）BLDCM绕组电感的变化来判断出转子的位置。在绕组采用的星形接法的BLDCM中，当其中两相绕组的电感量相等时，反电势正好过零点，此时绕组中性点电位为直流测中点电压，该方法的调速范围很广，调速范围大概能达到500 ～7 500 r /min，这种检测方法的精度高、误差小，但需要对绕组电感进行不断的实时检测，难度因此而增大。

基于电感信息检测位置的策略概述如下：根据无刷直流电动机理论,转子位置的变化使得磁路的磁阻显著变化(对采用内嵌式磁钢或凸极转子的电机而言) ,无刷直流电动机相电感和转子的位置有对应关系。那么,起动时首先施加激励电压,应用主动检测方法,测得响应相电流,利用相电流和相电感的关系,便可以得到转子的初始位置。这种方法保证了无刷直流电动机的正确成功起动,同时不需要

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附加起动电路。作为初始位置检测的关键,必须找出相电感和转子的位置关系。

当非导通相绕组不存在反电势或反电势远小于外施电压，并且忽略绕组电感压降时，采用非导通相绕组电感检测法。利用电感与位置角的关系（可以由实验预先测定）查表确定转子的位置，该方法特别适用于变磁阻电机整个速度范围内位置的确定。

1.2.3 本人在该项目中所承担的任务

基于对电感法深入的理解，针对三相电机两两通电工作的电感模型进一步推导，提出一种适合凸极无刷直流电动机起动运行并且实现简单的方法。并对此方法进行推理和实验验证。在无刷直流电机起动时首先施加激励电压，应用主动检测方法，测得响应相电流，利用相电流和相电感的关系，便测得到转子的初始位置。作为初始位置检测的关键，还必须找出相电感和转子的位置关系

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第二章 方案的选择及可行性分析

2.1 电感法综述

在内嵌式( IPM) BLDCM中,电机绕组电感和转子位置θ之间有一定的对应关系,电感测量法就是基于这种关系,通过检测内嵌式( IPM) BLD2CM绕组电感的变化来判断出转子位置。因为电流的变化率与绕组电感有关，而电感是转子位置和绕组电流的函数，那么转子位置可以从绕组电流及其变化率来得到。这个方法有个重要优点，即使在零速没有反电势时也可以使用。利用电感变化检测永磁 电机的转子位置有许多困难:

1) 对于表面安装的电机，本身没有各向异性特性，只有当电机磁路饱和时，才会有电感随转子位置变化;

2) 永磁电机中电流变化率，受到反电势的影响比较大;

3) 在永磁电机的一个磁场变化周期中电感随转子位置变化两次，因此在位置检测时会产生不确定的问题。

2.2 若干方案的比较

无刷直流电动机的运行是通过逆变器功率器件随转子的不同位置相应地改 变其不同触发组合状态来实现的。因此准确检测转子的位置，并根据转子位置 准时切换功率器件的触发组合状态是控制无刷直流电动机正常运行的关键。无 刷直流电动机的无位置传感器控制是指取消传统的转子位置传感器，通过测取 电机的某些物理量间接地得到转子的位置信号，用此信号实现换流，从而实现 无传感器闭环控制。本系统所用电机为无位置传感器无刷直流电机，因此转子 位置的检测技术成为系统设计的一个关键。和PMSM所需要的连续位置信号相比，BLDCM的位置信息的获取要容易得多，仅仅需要几个关键的换相时刻位置信息。

目前国内外文献介绍的无刷直流电动机无位置传感器控制的控制方法较多，比较典型的有反电动势法、续流二极管法、电感法、定子三次谐波法、电流法以 及采用智能控制检测法等，这里给予简单介绍并作以分析、比较。

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