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直流無(wú)刷電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)信息智能網(wǎng)

簡(jiǎn)單介紹一下常用的幾種無(wú)位置傳感器的控制方式
2022-06-20

近年來(lái)，直流無(wú)刷電機(jī)的無(wú)位置傳感器技術(shù)日益受到人們的關(guān)注，無(wú)位置傳感器控制技術(shù)已成為直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。下面就簡(jiǎn)單介紹一下常用的幾種無(wú)位置傳感器控制方式： 1、反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法 在直流無(wú)刷電機(jī)中，繞阻的反電勢(shì)一般都是正負(fù)極交替變化的，當(dāng)某相繞阻的反電勢(shì)過(guò)零時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子直軸正好與該相繞阻軸線重疊，因而只要檢查到各相反電勢(shì)的過(guò)零位置，就可得知電機(jī)轉(zhuǎn)子的數(shù)個(gè)關(guān)鍵位置，進(jìn)而省掉電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器，實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器控制。它是現(xiàn)階段運(yùn)用最普遍的無(wú)位置傳感器控制方式。 這類方式的缺陷是靜止不動(dòng)或低速檔時(shí)反電勢(shì)數(shù)據(jù)信號(hào)為零或很小，無(wú)法精確檢查繞阻的反電勢(shì)，因此沒(méi)法獲得準(zhǔn)確的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)信號(hào)，系統(tǒng)低速特性較差，必須選用開(kāi)環(huán)方式啟動(dòng)；此外，為清除PWM調(diào)制造成的電磁干擾，必須對(duì)反電勢(shì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行深層濾波，這樣導(dǎo)致與電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)的數(shù)據(jù)信號(hào)相移，為了確保恰當(dāng)?shù)膿Q相必須對(duì)此相移進(jìn)行補(bǔ)償。 2、磁鏈觀測(cè)法 直流無(wú)刷電機(jī)磁鏈數(shù)據(jù)信號(hào)和轉(zhuǎn)子位置直接相關(guān)，因而能夠根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的值來(lái)確定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。但轉(zhuǎn)子磁鏈不能直接檢測(cè)獲得。為了獲得無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈值，務(wù)必先精確測(cè)量無(wú)刷電機(jī)的相電壓和電流，建立不取決于電機(jī)轉(zhuǎn)子速度而與電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈直接相關(guān)的涵數(shù)方程，計(jì)算磁鏈值。這類方式測(cè)算量大，而相電壓和電流中帶有很多的電磁干擾信號(hào)，精確測(cè)量又必須要很高的硬件軟件成本費(fèi)，因而非常少選用。 3、續(xù)流二極管法 這類方式是根據(jù)監(jiān)控并聯(lián)在逆變器功率管兩邊的自由換向二級(jí)管的通斷情況來(lái)確定電機(jī)功率管的換向時(shí)刻。直流無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器三相繞阻中總有一相處在斷開(kāi)狀態(tài)，因此根據(jù)監(jiān)控6個(gè)續(xù)流二級(jí)管的導(dǎo)通關(guān)斷情況就能夠得到6個(gè)功率管的開(kāi)關(guān)次序。該方式能夠提升無(wú)刷電機(jī)的變速范圍，特別能夠擴(kuò)寬無(wú)刷電機(jī)的調(diào)速下限。可是這類方式規(guī)定逆變器務(wù)必工作在上下功率管輪流處在PWM斬波方式，增大了控制難度；此外，針對(duì)續(xù)流二極管通斷的無(wú)效信號(hào)和毛刺干擾造成的誤導(dǎo)通信號(hào)的去除也不容易實(shí)現(xiàn)。這類方式也存有著很大的檢測(cè)誤差，反電勢(shì)系數(shù)、繞阻電感量并不是常數(shù)、反電勢(shì)波型并不是規(guī)范的梯形波等都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子位置誤差。因?yàn)檫@類方式必須在二極管上并聯(lián)檢測(cè)電路，這對(duì)于集成化的功率器件（如IPM）很難實(shí)現(xiàn)。正由于以上諸多缺陷，因此這類方式在中國(guó)運(yùn)用并不是很普遍，相對(duì)而言技術(shù)也不是很成熟。 4、狀態(tài)觀測(cè)器法 “狀態(tài)觀測(cè)器法”的基本思想就是以電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置角、電流等參數(shù)為狀態(tài)變量，在定義狀態(tài)變量的基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)字濾波的方法得出狀態(tài)變量的離散值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。“狀態(tài)觀測(cè)器法”比較好的解決了電機(jī)在高速、重載情況下難于控制的問(wèn)題，其良好的抗干擾能力使其更適用于惡劣的工作環(huán)境。“狀態(tài)觀測(cè)器法”龐大的運(yùn)算量在一定程度上限制了它的應(yīng)用。這種方法一般采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）來(lái)承擔(dān)龐大的運(yùn)算量，因而增加了系統(tǒng)成本，在實(shí)際應(yīng)用中并不多見(jiàn)。 5、反電勢(shì)三次諧波積分法 因?yàn)橹绷鳠o(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器的反電動(dòng)勢(shì)為典型性的梯形波，它包括了基波以及高次諧波分量，通過(guò)對(duì)電樞三相相電壓的簡(jiǎn)單疊加，就能夠得到3次諧波以及奇數(shù)倍諧波，能夠從中獲取反電動(dòng)勢(shì)的3次諧波分量，并進(jìn)行積分，積分?jǐn)?shù)值為零時(shí)即可得到功率器的開(kāi)關(guān)信號(hào)。 反電動(dòng)勢(shì)3次諧波信號(hào)的獲得有2種方法：一種運(yùn)用電機(jī)中性點(diǎn)和并聯(lián)于電機(jī)三相繞阻端的星形電阻器的中性點(diǎn)來(lái)獲得反電動(dòng)勢(shì)的3次諧波分量；在沒(méi)有中性點(diǎn)引出的電機(jī)，可以利用直流側(cè)中點(diǎn)電壓和星形電阻網(wǎng)絡(luò)的中性點(diǎn)來(lái)得到反電動(dòng)勢(shì)的3次諧波分量；然后對(duì)得到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除3次諧波的高次分量，因?yàn)楦叽畏至康淖畹蜑?倍的基波頻率，對(duì)濾波器要求低。因此它比反電動(dòng)勢(shì)直接過(guò)零比較有更寬的運(yùn)作范圍。這類方式避免了逆變器開(kāi)關(guān)導(dǎo)致的干擾，但是3次諧波的幅值低于反電動(dòng)勢(shì)的幅值，不容易檢測(cè)，特別是低速的狀況下，3次諧波信號(hào)更弱，難以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。 6、電感法 電感法有兩種形式：一種是用于凸極式直流無(wú)刷電機(jī)，另一種是用于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的直流無(wú)刷電機(jī)。第一種電感法主要是通過(guò)在起動(dòng)過(guò)程中對(duì)電機(jī)繞組施加探測(cè)電壓來(lái)判斷其電感的變化。在凸極式直流無(wú)刷電機(jī)中，繞組自感可表示成繞組軸線與轉(zhuǎn)子直軸間夾角的偶次余弦函數(shù)，通過(guò)檢測(cè)繞組自感的變化，就可判斷出轉(zhuǎn)子軸線的大致位置；再根據(jù)鐵心飽和程度的變化趨勢(shì)確定其極性，從而最終得到正確位置信號(hào)。這種方法難度較大，且只能應(yīng)用于凸極式直流無(wú)刷電機(jī)，所以目前較少應(yīng)用。 第二種方法才是真正意義上的電感法。在內(nèi)置式（IPM）直流無(wú)刷電機(jī)中，電機(jī)繞組電感和轉(zhuǎn)子位置之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，電感測(cè)量法就是基于這種關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)繞組電感的變化來(lái)判斷轉(zhuǎn)子位置。當(dāng)繞組采用星形接法其中兩相的電感量相等時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)正處于過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)繞組中性點(diǎn)電位與直流電源中點(diǎn)電壓相等，由此獲得反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。但是這種方式需要對(duì)繞組電感進(jìn)行不間斷的實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)難度較大。 7、擴(kuò)展卡爾曼濾波法 擴(kuò)展卡爾曼濾波法通過(guò)建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，周期性地檢測(cè)外加電壓、不導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)和負(fù)載電流等變量，利用特定算法得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置以及速度的估計(jì)值；通過(guò)比較估計(jì)值與設(shè)定值的差值后經(jīng)PD調(diào)節(jié)，達(dá)到控制電機(jī)的目的。研究通過(guò)端電壓檢測(cè)，在得到反電動(dòng)勢(shì)的基礎(chǔ)上，用卡爾曼算法在線遞推出轉(zhuǎn)子位置，從而確定定子繞組換流時(shí)刻。它可以在線實(shí)時(shí)估計(jì)出轉(zhuǎn)子的位置及速度,取得令人滿意的效果。該算法的優(yōu)越性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)典反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零無(wú)傳感器方法。該算法需要大約500DSP指令和在大約13μs執(zhí)行時(shí)間。利用DSP的快速計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)了卡爾曼濾波的算法，保證了位置檢測(cè)的快速和準(zhǔn)確性，使系統(tǒng)控制效率和魯棒性大大提高，同時(shí)降低了噪聲。所提出無(wú)傳感器控制算法可應(yīng)用在家用電器，汽車和工業(yè)控制。 fqj 閱讀全文

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