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永磁无刷伺服电机主要有两大类:永磁无刷直
流电机( BLDC )和永磁交流同步电机
( PM SM )[ 1- 2 ]。两者的区别在于: BLDC 的绕组一
般为集中式的,绕组反电动势为梯形波; PM SM 的
绕组为分布式的,绕组反电动势为正弦波。电机要
正常运行,就必须对其施以合适的电压或电流。由
于电机是无刷的,它无法自动换相,因此需要设法
获取转子的位置信息,再根据这个信息来给PWM
逆变器发出准确的控制信号,使电机能持续运行下
去。
传统的获取转子位置信息的方法是采用电子
式或机电式位置传感器直接测量,如霍尔效应器件
(HED)、光学编码器、旋转变压器等。然而,这些传
感器有的分辨率低或运行特性不好,有的对环境条
件很敏感,如振动、潮湿和温度变化都会使性能下
降,使得整个传动系统的可靠性难以得到保证。传
感器还大大增加了电气连接线数目,给抗干扰设计
带来一定困难。在精确的位置伺服系统中,位置传
感器也占了整个系统成本的一大部分;有些传动系
统由于空间有限,没有安装传感器的余地。
由于传感器有上述诸多缺点,近十多年来,关
于消除位置或速度传感器的设想引起了广大研究
人员的极大兴趣,并已有许多实用方案。然而各种
方案都有其优缺点,并不适用于所有电机。因此有
必要对它们进行分类总结,这对于我们研究新方法
并将其应用于实践都有指导意义。
2 BLDC 位置估计方法
BLDC 的位置估计相对来说较易获得,因为只
需要估计出换相时刻的转子位置。对于三相绕组的
电机,在一个电周期内只要估计六个时刻,相邻两
时刻转子位置相差60 °电角度。常用的方法有反电
势法、定子三次谐波法、电流通路监视法等。
2. 1 反电势法
对于稳态运行的电机来说,反电势法是最简单
最实用的方法。其原理为: BLDC 在任何时刻其三
相绕组只有两相导通,每相绕组正反向分别导通
120 °电角度,通过测量三相绕组端子及
中性点相对于直流母线负端(或正端)的电位vA 、
vB 、V C 和V N ,当某端点电位与中性点电位相等时,
如vA = vN = vdc ö 2,则此时刻该相绕组反电势过零,
再过30 °电角度就必须对功率器件进行换相。据此
可设计一过零检测及移相(或定时)电路,得到全桥
驱动六个功率器件的开关顺序。这种方法又叫直接
反电势法。还有一种间接反电势法,它直接测量定
子每相的电压,然后由电压方程解出反电势的值,
由于表达式中含有电流微分项,易引入噪声。滤波
器可降低噪声,但又带来相位延迟。如前所述,这两
种方法只适合于电机稳速运行。当电机速度有波动
时所得的估计值误差较大。在误差很小时,反电势
也很小。检测将有困难。另外由于相位变化及转子
位置信息不够准确,电机不能在最优转矩下运行。
未导通相的反电势随转子位置而
变化。因此可考虑采用简单的锁相环(PLL )技术,
在每60 °电角度区间内,将转子位置锁定到未导通
相绕组的反电势上。这样可获得任一时刻的转子位
置信息。不过这种方法对逆变器输出端的开关噪声
很敏感,也不能在宽速度范围内有效地运行。
通用电气(GE)公司“电子换向电机”(ECM )
的发明者D. Erdman 采用了一种反电势积分法
[ 3 ]
。
它对开关噪声没那么敏感,而且可自动调节逆变器
开关时刻以适应转子速度变化,较上述的过零检测
法有明显的改进。其基本原理是采用信号选择电
路,所选相即为未导通的绕组。当反电势过零后开
始对其绝对值进行积分,积分值v int 达到预先设定
的门限值v th 后,便产生换相信号。文献[ 4 ]将这种
方法应用于无传感器ECM 的四象限运行。采用
GE 公司的通用ECM 控制器芯片U ECM 、高压集
成门极驱动电路和集成了电流传感器的功率开关
器件来实现。为了降低其在低速时对逆变器开关噪
声的灵敏度,该文采用了一种特殊的PWM 技术,
即在原120 °导通期间的后半段,使功率管处于最高
频率的“导通-关断”状态,这一技术使得在速度低
至几转ö 分时仍能很好地跟踪转子位置。
2. 2 定子三次谐波法
由于BLDC 的反电势为梯形波,它包含了三
次谐波分量。将此分量检测出来并进行积分,积分
值为零(用过零检测器)时即得功率器件的开关信
号。一种办法是在星型连接的绕组三个端子并联一
组星型连接电阻,两个中性点之间的电压即为三次
谐波分量。然而,当电机的中性点没有引出线或不
便引出时,不能用这种办法。文献[ 5 ]采用了另一种
办法,它不需要三相绕组的中性点引线,而是用星
型电阻中性点与直流侧的中点之间的电压来获得
三次谐波,不过它要用滤波器来消除高频分量。实
验表明,这种方法比上述的直接反电势过零检测法
具有更宽的运行范围,可在5%额定转速下稳定运
行,而直接反电势法必须在20%的额定转速下才有
效。另外它对过载也具有更强的鲁棒性。
2. 3 电流通路监视法
这种方法是通过监视逆变器里的电流通路来
获得转子位置信息。在文献[ 6 ]中,作者设计了一种
二极管导通检测电路来监视逆变器反并联续流二
极管是否导通。如前所述, BLDC 的三相绕组中总
有一相处于断开状态,于是监视六个续流二极管的
导通就可获得六个功率晶体管的开关顺序。与文献
[ 4 ]不同的是,它在每个功率管120 °导通期间的前
半段实行斩波控制,由各管均匀承担开关损耗。由
于检测到的位置信号超前下一换相时刻30 °,因此
要用一移相器来给出换相信号。这种方法可使电机
在额定转速的2%以上有效运行。
另外,由于电机的磁势与定子电流同相位,因
此可通过检测相电流的波形并进行处理,将其转化
为转子位置信号。 |
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发表于 2004-10-4 00:37
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