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无位置传感器无刷电机控制技术的位置检测方法

时间:03-24 18:56 点击:100

无刷电机中,转子位置传感器的存在会增大电机体积,难以实现电机的小型化;传感器输出信号一般为弱电信号,容易受到干扰;温度、湿度、振动等外界因素的变化会降低传感器工作的可靠性,不能应用于恶劣场合;传感器对安装位置精度的要求及电机引线的增多也是不利的因素。因此,无刷电机的无位置传感器控制技术越来越受到国内外广泛的关注。

    由于无需安装转子位置传感器,无位置传感器无刷电机结构简单、体积小、可靠性高,特别适合于因电机体积较小而难以安装位置传感器或者电机工作环境恶劣而难以保证位置传感器可靠工作的场合。目前,无位置传感器无刷电机已广泛应用于收录机、录像机等小型电器以及作为电脑硬盘、光驱的驱动电机。

 

无位置传感器无刷电机


无位置传感器无刷电机控制技术的位置检测方法

无位置传感器无刷电机虽然省去了转子位置传感器,但其工作原理并未改变,在运行过程中仍然需要转子位置信息以控制绕组正确换向,因此如何获得转子位置信息是影响无位置传感器无刷电机可靠工作的关键。常用的位置检测方法主要有以下几种:

1、反电动势法

反电动势法是目前最常用的一种检测转子位置的方法,当无刷电机运转时,各相绕组反电动势与转子位置密切相关。由于各相绕组交替导通,在任意时刻总有一相绕组处于不导通状态,其反电动势波形在该绕组端部是可以检测出来的,利用反电动势波形的某些特殊点,就可以实现转子位置检测。反电动势检测方法主要有三种,即过零法、锁相环法和积分法。

对于三相无刷电机,转子旋转时,定子绕组反电动势过零点(即相绕组反电动势与三星中性点电位的交点)相对于转子磁极的空间位置是固定的,不随电机的转速而改变,通过检测过零点就可以确定转子磁极位置。过零法就是根据这个原理,当检测到未导通相绕组反电动势的过零点后,再延时一段时间(30°电角度),就是下一个状态的换向时刻。这种方法实现简单,但容易受到干扰,特别是当无刷电机采用PWM控制时,直接加在电机绕组上的PWM电压会严重干扰反电动势波形,使过零点的检测困难。

锁相环法是利用一个锁相环,使电机换向频率与未导通相绕组反电动势过零点的频率保持锁定,以确定逆变器正确的换向时刻,该方法能根据转速变化自动调整换向频率。

积分法是把整形后的反电动势波形送入积分器,其输出与预置门槛电位比较后触发定时器。经过段延时后换向。这种方法降低了PWM噪声的影响,但也会造成误差的积累,影响检测精度。

反电动势检测法的优点是线路简单、技术成熟、成本低、实现起来相对容易。不足之处是当电机停止或转速较低时,反电动势没有或很小而无法检出,必须采用其他起动方式,。目前最常用的方法是使电机按他控式同步电机的运行方式从静止开始加速,直至转速升高到能够保证可靠检测到反电动势时,再切换至自同步运行状态,完成电机的起动过程。这种起动方式产生的起动转矩比较低,一般只适用于空载或轻载工况下起动。

2、转子位计算法

这种方法是利用无刷电机各相瞬态电压和电流方程,实时计算电机由静止到正常运转任一时刻转子的位置,以此控制电机的运行。叫这种方法不需要其他的起动方式,可实现转子位置信息的全程检测,但对无刷电机本体的数学模型依赖大,当电机参数因温度变化发生漂移时,会使控制精度受到影响。另一方面由于利用在线实时计算,计算过程复杂,当电机转速较高时,必须采用数字信号处理器DSP以及高速A/D转换器,增加了系统的成本。其具体实现方法主要有电流注入法、卡尔曼滤波法、状态观测法等。

3、续流二极管法

这种方法是通过检测逆变器不导通相功率管上反并联的续流二极管的导通状态,间接检测反电动势过零点,以获得转子位置信息。

    在以上几种转子位置检测方法中,反电动势过零法使用最为广泛,技术最为成熟。


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