九乡新闻网试验室混凝土振动台:反电势法检测转子位置的无刷直流电机起动方法-河南全新液态起动设备有限公司
来源：百度文库 编辑：九乡新闻网 时间：2024/04/29 17:25:24
反电势法检测转子位置的无刷直流电机起动方法引 言传统的无刷直流电机都需要一套复杂的位置传感器，这对电机的可靠性、制造工艺要求等带来不利的影响。具体表现在以下几方面：(1)增大了电机尺寸；(2)传感器信号传输线多，容易引入干扰；(3)高温、低温、污浊空气等恶劣工作条件会降低传感器可靠性；(4)传感器的安装精度直接影响电机的运行性能。因此国内外学者对无位置传感器无刷直流电机位置检测进行了很多研究，提出了许多方法，其中最简单实用的是基于反电势检测的方法。通过测出各相反电势的过零点，获得三相电机所需的转子6个关键位置信号。但当电机起动或转速很低时，反电势为零或很小，反电势法已不再适用，针对这个问题，人们提出了多种方法以实现无刷直流电机的可靠起动。1 反电势法检测转子位置起动方法1．1 三段式起动法[1][2][3] [4] 1) 三段式起动法的原理及其实现 文献[1]、[2]、[3]和[4]描述的三段式起动法是按他控式同步电动机的运行状态从静止开始加速，直至转速足够大，再切换至无刷直流电机运行状态，实现电机的起动。这个过程包括转子定位、加速和运行状态切换三个阶段。其电路框图如图1所示。
电机静止时的转子初始位置决定了逆变器第一次应触发哪两个功率器件，而在没有位置传感器时判断转子初始位置很复杂。可以先让逆变器任意两相导通。并控制电机电流．通电一段时间后，转子就会转到与该导通状态相对应的一个预知位置．完成转子的定位。 转子定位后．根据电机转向，就可知道接下来应触发的逆变器功能器件。这样主控制器发出一系列外同步信号SYA、SYB、SYC(分别与转子位置信号CPA、CPB、CPC对应)．经编码器产生逆变器触发信号．触发逆变器相应功率器件导通。逐步提高外同步信号频率．电机就工作在他控式变频调速同步电动机状态。电机低速时，反电势很小，因此直流电压或逆变器的斩波占空比也应该小；转速增高。等效外施电压也应随之增高．这样才能保证电机既不过流，也不失步。在这个加速过程中，由于他控式变频调速同步电动机运行不稳定。因此必须设计合理的加速曲线(一种较好的方法是先确定加速曲线上的3～4个关键点，再采用曲面造型技术中的NURBS曲线进行拟合。求出整条加速曲线的数学表达式)电机加速到预定转速后．“反电势信号”(也即为转子位置信号)CPA、CPB、CPC已可以检测到，但与外同步信号SYA、SYB、SYC可能存在较大相位差，这是因为他控式同步电动机正常运行时．逆变器每改变一次导通状态，电机定子磁势就越前60º电角度。然后停止一段时间。在这段时间内转子磁势也须旋转60º电角度。若假定在这段时间初始时刻．转子磁势滞后定子磁势(120º一δ)电角度．那么在这段时间的末时刻．转子磁势应滞后定子磁势(60º一δ)电角度。换言之，转子磁势平均位置滞后定子磁势(90º一δ)电角度。显然．定、转子磁势相互作用产生的电磁转矩是关于δ的函数。如果不考虑电机d／q轴不对称引起的反应转矩．当δ=O时平均电磁转矩最大；当δ≠O时，绝对值越大．平均电磁转矩越小。 (1)若δ0．当电机负载增大时。转速降低，转子磁势平均位置更加滞后于定子磁势．即δ的数值变小．平均电磁转矩增大．可以重新建立转矩平衡关系；反之．假定电机负载减小．转子增速．δ的数值随之变大。平均电磁转矩减小．也能重新建立转矩平衡关系。所以δ>O时他控制式同步电动机的运行是稳定的。如果不考虑铁心饱和影响．当δ=O时．可认为定子磁势在宏观上对转子不表现去磁或增磁的作用，但是当δ≠O时，定子磁势在宏观上具有去磁或增磁的作用，并且该作用的强弱不仅与δ的绝对值有关．而且正比于定子电枢电流。通过以上分析．要使电机不失步．必须在加速阶段保证δ≥O；并且由于δ受加速曲线、外施电压(如逆变器直流侧电压Ud)、电机参数、负载大小以及转动惯量等诸多因素的影响(例如外施电压越大。或者绕组惯量越小，或者负载转矩越大，或者转动惯量越小。δ就越大。对直接切换越不利)，因此当电机加速到并保持在某一预定转速后，采取的方法是逐渐减小外施电压，用控制器来监测δ角。当该角接近于零时。CPA、CPB、CPC可以反映转子位置。并且与SYA、SYB、SYC几乎同相位，相位鉴别器就发现切换命令．外同步信号被关闭，“反电势信号”被送人编码器以触发逆变器各功率器件．这样就完成了平稳过程。 2)三段式起动法的优缺点 (1)三段式起动过程的成功实现．受电机负载转矩、外施电压、加速曲线及转动惯量等诸多因素影响。在轻载、小惯量负载条什下．三段式起动过程一般能成功实现．但在切换阶段往往运行不平稳；当电机重载时．切换阶段往往会发生失步导致起动失败； (2)当“反电势信号”与外同步信号相位差过大时．三段式起动可导致电机失步．即使能避免失步，也必然导致切换时电机转矩较小．易受干扰。(3)通过优化加速曲线，三段式起动能保证电机顺利起动．但是对不同电机、不同负载，所对应的优化加速曲线不一样．这样导致通用性不强．控制过程比较繁琐．涉及到的数据多．实现起来不方便。1．2 预定位起动法[5][6][7][8] 1)预定位起动法的原理及其实现 文献[5][6][7]和[8]描述了预定位起动法。预定位起动法在起动初始时．使电机有一个确定的通电状态．转子旋转到一个确定的初始位置，然后改变电机的通电状态。在电磁力矩的作用下转子向下一个确定位置转动．在转动过程中切换到无刷直流电机运行状态，利用反电势法检测转子位置。具体实现方法如下：首先为预定位．即不管转子在什么位置，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确定方面．用一足够长的时间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。其次为起动阶段．按照所需的转向依次改变逆变器功率器件的触发组合状态，同时用“端电压法，，检测各触发组合状态所对应的开路相的反电势过零点，并通过提高PWM占空比逐渐提高电机的外施电压。各触发组合状态的持续时间最大值保持不变，设为T。。与自控式状态一样，用计数器进行计时，换流时刻固定在T。／2处，换流后对开路相的感应电势过零点进行检测，只要检测到开路相的反电势过零点，计数器就重新复位，到T。／2后再换流，这样依次进行，最后，如果连续N次检测到开路相的反电势过零点，就切换到自控式状态，时序图如图2所示。之所以要连续N次检测到开路相的反电势过零点后，才从他控式状态切换到自控式状态，目的是为了防止干扰等引起的误检测和转速未趋于稳定而影响起动过程的顺利完成。
2)预定位起动法的优缺点 (1)使绕组中具有一定大小的反电势信号，反电势信号的时序是固定不变的，而非随机的，以保证电机有一个确定的转向，实现电机的正确起动； (2)起动可靠，实现简单、方便，对于任意转子初始位置角，电机都能可靠实现预定位，保证电机从零速度起动并快速切换到无传感器闭环方式运行； (3)但调试中T。和PWM的占空比的选择，以 及对加速过程中占空比的变化速度的控制比较复杂，很难达到理想效果；(4)对切换时间要求较严。当电机惯量不同或带一定负载起动时，切换时间需要调整，否则可能造成起动失败或电机反转现象，因此一般适用于电机空 载起动。1．3升频升压同步起动法[9] 1)升频升压同步起动法的原理及其实现 文献[9]描述了升频升压同步起动法。升频升压同步起动法的电路框图如图3所示。
电路通以电流后，加在电容C上的电压Uc便缓慢上升，Uc加在压控振荡器输入端，压控振荡器的输出经分频后作为时钟信号加到环形分配器上，环形分配器的输出信号转换成换相信号加在功率放大电路上，控制绕组的导通。同时，Uc加到PWM电路的输入端作为调制信号，使PWM信号占空比随Uc变化，控制绕组导通的脉冲宽度，也即为控制加在绕组上的电压。这样，随着Uc的上升，加在绕组上的电压与频率也逐渐上升，以升频升压方式驱动电机运行。另外，将Uc与设定的阈值进行比较，当Uc达到一定数值后，即电机转速达到一定数值后，经逻辑电路将电机切换到无刷直流电机运行状态，完成无刷直流电机的起动过程。 2)升频升压同步起动法的优缺点 (1)该起动方式对切换时间没有严格要求，在一定升频速度范围内可在空载、半载以及带一定负载情况下可靠起动，无反转现象。在起动过程中电流较大，切换至反电势检测控制方式运行后，电流减小：， (2)附加的起动电路加大了电机的尺寸，对于较多应用于微型电机中的无刷直流电机是个不小的障碍，而且使电机的可靠性降低。1．4短时检测脉冲转子定位起动法[10] 1)定位起动法的原理及其实现 文献[10]描述了短时检测脉冲转子定位起动法。该方法的原理和实现如下：永磁体转子对带铁心的定子线圈具有增磁或去磁作用，使线圈电感L减小或增大，转子的位置不同，线圈电感的大小不同：当对定子绕组施加固定脉宽的检测脉冲后，不现的检测峰值脉冲电流对应不同的铁心电感，通过成对比较铁心线圈电感的大小．逆推回去，就可检测出转子的位置，从而实现转子的定位。短时检测脉冲转子定位起动方法正是建立在这一原理的基础之上。这种起动方法也可分为转子定位、加速及切换三个过程，但定位与加速的方法与前面提及的三段式起动方法不同。在此，转子定位时，先将一个检测脉冲加到一相绕组如A相上，另两相B、C相接地，测出此时的脉冲电流峰值；然后将A相接地，检测脉冲加到B、C相(为表述方便，把上述两种通电方式称为A相两种通电方式)，测出脉冲电流峰值，比较前后两次峰值的大小，就可比较出两次绕组电感的大小，从而可把转子定位在180°范围内。同理可以按B相两种通电方式分别加两个检测脉冲，把转子定位在另180°范围，然后再按C相两种通电方式加两个检测脉冲，确定另一个180°范围，三个范围的重合处，即60°范围，就为转子的位置所在。通过检查事先定义的转子位置代码表，得出转子位置及随后加速时将需要的通电相序。当加速脉冲结束后，再一次发出6个检测脉冲确定转子的位置，然后再确定将要通电的相序并进行加速，不断重复检测一加速一检测一加速…直到电机转速高到可以用反电势法检测转子位置时为止，此时再把电机切换到无刷直流电机运行状态，从而完成电机的起动过程。 2)短时检测脉冲转子定位法的优缺点 (1)转子定位时能保证电机转子在起动时不产生振荡，加速时控制简单，易于实现； (2)这种起动方式是建立在铁心电感磁饱和基础之上的，如果无刷直流电机的定子绕组不是铁心线圈，比如是空心线圈或电机转子本身是一个标准的圆柱状永磁体，则以上方法的可靠性将降低。因为这样很难准确区分出6个电流脉冲峰值的大小，从而无法实现转子的定位，也无从实现电机的可靠起动。2 结束语 采用反电势法检测转子位置的无刷直流电机的 起动问题一直是国内外学者致力研究的重要课题，也是比较难解决的课题之一。各种起动方法有各自的优缺点和适用场合，采用何种方法应视具体情况而定。随着研究的进一步深入，各种性能优越，适用范围更广的起动技术必将相继出现，使采用反电势法检测转子位置的无刷直流电机的应用越来越广泛。
电机静止时的转子初始位置决定了逆变器第一次应触发哪两个功率器件，而在没有位置传感器时判断转子初始位置很复杂。可以先让逆变器任意两相导通。并控制电机电流．通电一段时间后，转子就会转到与该导通状态相对应的一个预知位置．完成转子的定位。 转子定位后．根据电机转向，就可知道接下来应触发的逆变器功能器件。这样主控制器发出一系列外同步信号SYA、SYB、SYC(分别与转子位置信号CPA、CPB、CPC对应)．经编码器产生逆变器触发信号．触发逆变器相应功率器件导通。逐步提高外同步信号频率．电机就工作在他控式变频调速同步电动机状态。电机低速时，反电势很小，因此直流电压或逆变器的斩波占空比也应该小；转速增高。等效外施电压也应随之增高．这样才能保证电机既不过流，也不失步。在这个加速过程中，由于他控式变频调速同步电动机运行不稳定。因此必须设计合理的加速曲线(一种较好的方法是先确定加速曲线上的3～4个关键点，再采用曲面造型技术中的NURBS曲线进行拟合。求出整条加速曲线的数学表达式)电机加速到预定转速后．“反电势信号”(也即为转子位置信号)CPA、CPB、CPC已可以检测到，但与外同步信号SYA、SYB、SYC可能存在较大相位差，这是因为他控式同步电动机正常运行时．逆变器每改变一次导通状态，电机定子磁势就越前60º电角度。然后停止一段时间。在这段时间内转子磁势也须旋转60º电角度。若假定在这段时间初始时刻．转子磁势滞后定子磁势(120º一δ)电角度．那么在这段时间的末时刻．转子磁势应滞后定子磁势(60º一δ)电角度。换言之，转子磁势平均位置滞后定子磁势(90º一δ)电角度。显然．定、转子磁势相互作用产生的电磁转矩是关于δ的函数。如果不考虑电机d／q轴不对称引起的反应转矩．当δ=O时平均电磁转矩最大；当δ≠O时，绝对值越大．平均电磁转矩越小。 (1)若δ 2)预定位起动法的优缺点 (1)使绕组中具有一定大小的反电势信号，反电势信号的时序是固定不变的，而非随机的，以保证电机有一个确定的转向，实现电机的正确起动； (2)起动可靠，实现简单、方便，对于任意转子初始位置角，电机都能可靠实现预定位，保证电机从零速度起动并快速切换到无传感器闭环方式运行； (3)但调试中T。和PWM的占空比的选择，以 及对加速过程中占空比的变化速度的控制比较复杂，很难达到理想效果；(4)对切换时间要求较严。当电机惯量不同或带一定负载起动时，切换时间需要调整，否则可能造成起动失败或电机反转现象，因此一般适用于电机空 载起动。1．3升频升压同步起动法[9] 1)升频升压同步起动法的原理及其实现 文献[9]描述了升频升压同步起动法。升频升压同步起动法的电路框图如图3所示。 电路通以电流后，加在电容C上的电压Uc便缓慢上升，Uc加在压控振荡器输入端，压控振荡器的输出经分频后作为时钟信号加到环形分配器上，环形分配器的输出信号转换成换相信号加在功率放大电路上，控制绕组的导通。同时，Uc加到PWM电路的输入端作为调制信号，使PWM信号占空比随Uc变化，控制绕组导通的脉冲宽度，也即为控制加在绕组上的电压。这样，随着Uc的上升，加在绕组上的电压与频率也逐渐上升，以升频升压方式驱动电机运行。另外，将Uc与设定的阈值进行比较，当Uc达到一定数值后，即电机转速达到一定数值后，经逻辑电路将电机切换到无刷直流电机运行状态，完成无刷直流电机的起动过程。 2)升频升压同步起动法的优缺点 (1)该起动方式对切换时间没有严格要求，在一定升频速度范围内可在空载、半载以及带一定负载情况下可靠起动，无反转现象。在起动过程中电流较大，切换至反电势检测控制方式运行后，电流减小：， (2)附加的起动电路加大了电机的尺寸，对于较多应用于微型电机中的无刷直流电机是个不小的障碍，而且使电机的可靠性降低。1．4短时检测脉冲转子定位起动法[10] 1)定位起动法的原理及其实现 文献[10]描述了短时检测脉冲转子定位起动法。该方法的原理和实现如下：永磁体转子对带铁心的定子线圈具有增磁或去磁作用，使线圈电感L减小或增大，转子的位置不同，线圈电感的大小不同：当对定子绕组施加固定脉宽的检测脉冲后，不现的检测峰值脉冲电流对应不同的铁心电感，通过成对比较铁心线圈电感的大小．逆推回去，就可检测出转子的位置，从而实现转子的定位。短时检测脉冲转子定位起动方法正是建立在这一原理的基础之上。这种起动方法也可分为转子定位、加速及切换三个过程，但定位与加速的方法与前面提及的三段式起动方法不同。在此，转子定位时，先将一个检测脉冲加到一相绕组如A相上，另两相B、C相接地，测出此时的脉冲电流峰值；然后将A相接地，检测脉冲加到B、C相(为表述方便，把上述两种通电方式称为A相两种通电方式)，测出脉冲电流峰值，比较前后两次峰值的大小，就可比较出两次绕组电感的大小，从而可把转子定位在180°范围内。同理可以按B相两种通电方式分别加两个检测脉冲，把转子定位在另180°范围，然后再按C相两种通电方式加两个检测脉冲，确定另一个180°范围，三个范围的重合处，即60°范围，就为转子的位置所在。通过检查事先定义的转子位置代码表，得出转子位置及随后加速时将需要的通电相序。当加速脉冲结束后，再一次发出6个检测脉冲确定转子的位置，然后再确定将要通电的相序并进行加速，不断重复检测一加速一检测一加速…直到电机转速高到可以用反电势法检测转子位置时为止，此时再把电机切换到无刷直流电机运行状态，从而完成电机的起动过程。 2)短时检测脉冲转子定位法的优缺点 (1)转子定位时能保证电机转子在起动时不产生振荡，加速时控制简单，易于实现； (2)这种起动方式是建立在铁心电感磁饱和基础之上的，如果无刷直流电机的定子绕组不是铁心线圈，比如是空心线圈或电机转子本身是一个标准的圆柱状永磁体，则以上方法的可靠性将降低。因为这样很难准确区分出6个电流脉冲峰值的大小，从而无法实现转子的定位，也无从实现电机的可靠起动。2 结束语 采用反电势法检测转子位置的无刷直流电机的 起动问题一直是国内外学者致力研究的重要课题，也是比较难解决的课题之一。各种起动方法有各自的优缺点和适用场合，采用何种方法应视具体情况而定。随着研究的进一步深入，各种性能优越，适用范围更广的起动技术必将相继出现，使采用反电势法检测转子位置的无刷直流电机的应用越来越广泛。
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