一种对于无刷直流电机的无位置传感器驱动方法的研究外文翻译资料

 2022-06-05 21:58:33

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一种对于无刷直流电机的无位置传感器驱动方法的研究

Satoshi Ogasawara and Hirofumi Akagi

摘要：这篇文章描述了一个无位置传感器的无刷直流电机。通过调整电机的平均电压来实现变速，就像直流电机的斩波控制一样。本文所提出的无位置传感器驱动是基于对与功率晶体管并联的续流二极管的导电间隔的检测。这种方法使得检测转子的位置在一个宽的速度范围内，特别是在低速的情况下是可能的。实验结果表明，功率为300w的原理无刷直流电动机，从45r/min到2300r/min时，无传感器驱动器的有效性得到了验证。同时还讨论了电机的启动过程，因为不可能在静止的状态下检测转子的位置。

1 引言

由于无刷直流电机的高效性和可控性好的特点，无刷直流电机已经应用到实际使用当中。无刷直流电机需要变频器和位置传感器进行“换向”，因为永磁同步电机用电刷和换向器代替直流电机[1-3]。三个霍尔传感器作为无刷直流电动机的位置传感器。根据电动机额定值降低的方式，霍尔传感器与电机的体积比增加，使电机的小型化变得困难。此外，霍尔传感器至少需要八根信号线。

近年来，研究了一种无位置传感器的无刷直流电动机，该电机能从电机的反电动势中产生换相信号[5-6]。然而，由于反电动势与与转子转速成正比，传统的无位置传感器驱动器很难在较低的转速范围内检测到反电动势。因此，传统的方法需要一个复杂的启动过程。

在这篇文章中，作者提出了一种基于新的位置检测方法的无位置传感器直流电机。由于电流以脉冲形式，所以检测信息在续流二极管与功率晶体管反平行连接时被检测到。没有有源驱动信号加在晶体管的正极和负极，使得在电机绕组上产生反电动势。这种方法使得在宽的速度范围内检测转子的位置成为可能，尤其在较低的速度时，并且简化了起启动过程。从无传感器驱动的实验结果中表明，证实了本篇文章中所提到的位置检测方法的有效性。

图1 系统配置所提出的无位置传感器驱动 图2 驱动信号和反对电动势的关系

2 无刷直流电机

通常，无刷直流电机是由以下几部分组成的，将电能转换成机械能的永磁同步电机、一种与电刷对应的逆变器和换向器以及位置传感器。这篇文章中所提到的无位置传感器驱动器的布局如图1所示。图2展示了功率为300w的三相永磁同步电动机的梯形反电动势。这里使用的逆变器和传统的三相电压逆变器一样，但是导电区间电角度为120°，正如图2所示。因此，只有两个晶体管，i.e.，其中一个相位的正侧晶体管和另一个相位的负侧晶体管都处于导通状态。而另一个没有主动驱动信号被给予正侧和负侧晶体管的相位，被称为“开放相位”。继续产生最大扭矩，逆变器每60°进行换相，所以矩形电机线电流与反电动势同相。位置信息通过检测续流二极管是否导通来获得。由于检测到的位置信号会领先下一个整流30°，所以逆变器的整流信号是由移相器给出的。启动电路给出了开始的换相信号，这一点将在稍后讨论。

1.斩波器选择信号 5V/div H:正极侧斩波器，L：负极侧斩波器

2.逆变器相电压 50V/div 3.电机线电流 0,2A/div

图3 斩波控制下的实验波形：

（a）正极侧斩波控制；（b）负极侧斩波控制；（c）交替斩波控制

3 斩波器控制

如果导通状态下的两个晶体管中的一个在斩波频率上被开启或关闭，驱动系统就可以通过调整占空比来控制电机转速，就像直流电机的斩波控制一样。图3显示了由斩波控制引起的实验波形，这是一些复杂的问题。图3(a)和图3(b)是将斩波信号分别应用于正、负侧晶体管时的波形。电机线电流波形表明，即使在开放阶段，电机线电流也会流动，在开放相位，电流的开始或结束点在两个整流的中间。

在所提出的无刷直流电机中，如图4所示，交替斩波器被用来使正负侧晶体管之中的电机线电流对称并分配开关损耗。图3(c)展示了在交替斩波控制情况下的实验波形。在开放相位的电流总是在中间点的位置上开始流动。需要注意的是转子的位置就是在这一点上被检测到的。

图4 在交替斩波控制下的驱动信号

图5 将主动信号发送给Ta 和Te-的简化电路

4 位置检测方法

图5展示了有源信号加到Ta 和Tb-。在这种情况下，将斩波信号应用于Ta ，从而使c 相打开。如果Ta 处于导通状态，直流链路电压会增加主电流 i ,如果关闭了Ta ,i 继续通过续流二极管并且逐渐减小。然后，c相电压为：

Vce和Vf是晶体管和二极管的正向电压降，分别（见附录A）。尽管电机绕组的电阻和电感带入（1）的推导中，方程（1）在瞬时状态也保持良好特性，因为没有电机常数包含在内。二极管Dc-导通的条件是：

将（1）式带入（2）式得到：

由于反电动势是梯形的，接近为零并且过零点，因此，Dc-导通的条件为：

一般来说，Vce和Vf比反电动势小得多。当c相反电动势变成负时，开放相的电流流过二极管Dc-的负极。

表1展示了逆变器模式，在计算Vn时忽略了Vce和Vf。图6显示了一个开放的电流波形（c相）。图7展示了模式序列图。模式4第一次出现的瞬间是ec的零点。转子位置可以通过检测Dc-是否导通来检测。这一点将领先下一个整流30°。使用两个计数器的数字移相器给出整流信号，正如图8所示。该检测在前一次整流后立即被阻塞，以免被衰减的主电路错误触发。只要在前一次整流时主电流流过Dc-，Tc 就会关闭。

图9显示了一个特别设计的电路，用来检测续流二极管是否导通。一个电阻器和一个二极管连接到一个比较器的电压钳位。参考电压Vref略小于续流二极管的正向电压Vf。检测电路需要两个独立的电源，但它不受直流链路电压变化的影响。图10显示了稳定状态下提出的无传感器驱动的实验结果。通过所提出的位置检测方法，达到了2300r/min的稳定和良好的驱动性能。由于在开放状态没有电流变化，所以检测特性是不变的，如图10所示：

图6 在开放相的电流波形 图7 节点序列图

图8 数字移相器 图9 续流二极管的导通检测电路

1.逆变器相电压 50V/div

2电机线电流 1A/div

图10 无传感器驱动（负载）的实验波形：

  1. N=1527r/min,占60%
  2. N=1314r/min,占60%

5启动过程

启动程序后电动势的振幅与转子转速成正比。由于反电动势的开放相电流的结果，不可能在静止的状态下检测转子位置。因此，一个合适的启动过程对于无位置传感器的无刷直流电动机驱动器是非常必要的。

续流二极管的导通条件由（4）给出，为了使开放相电流更小，开放相反电动势至少要大于（）/2。本实验系统所使用的电动机的反电动势系数Kv为27.7mV/r/min（相位峰值），并且=1.2V。因此，理论上给出的最小检测速度为22r/min。因为可检测的速度足够小，所以作者提出了以下简单的启动过程。

这个过程从一个预先设定的时间的两个任意阶段开始。在那时，电机线电流受到电流限制器的限制。转子转向是与转子退出相对应的方向，如图11(a)所示。

接下来，提前120°切换模式的整流信号被给出，然后，在前一部分开环整流立即转换到无传感器驱动。在下一次整流中，实现无位置传感器驱动（图11(c)）。需要注意的是，移相器不能用于500r/min以下的速度范围。原因如下。

当转子转速保持恒定时，图8展示的数字移相器没有相位延迟。然而在加速过程中会出现大量的相位延迟。下面的方程式和图12给出了在数字移相器中的相位延迟。（见附录B）。

这里

A 转子加速度（弧度每平方秒）

P 磁极对数

转子转速（弧度每秒）

由于无刷直流原型电机的最大加速度是4000r/min，=100r/min对应的B=1.9，根据图12所示。在500r/min以上的速度范围时，几乎没有相位延迟是由加速度引起的。

此外，在图9所示的检测电路中有一些相位延迟。假设理想梯形反电动势的相位延迟d是由以下方程表示：

图13为无刷直流原理样机的d。

当移相器禁用时，只要二极管导通被感知就会出现整流。领先角最大为30°。尽管当移相器在较低的转速范围时滞后角可能大于30°。

图14显示了启动特性，启动信号开始启动程序。在预定时间0.5s结束时，开环整流提前切换模式120°完成，之后改变电机线电流的极性。在启动程序后，可选的电机线电流表明，所提出的检测方法可以实现令人满意的无损耗换相。在预置时间0.5s后，提出的启动程序达到了良好的启动特性。

图11 启动过程

图12 信号相位移相器中的相位延迟 图13 检测电路中的相位延迟

  1. 启动信号 5V/div
  2. 相位转换器 5V/div
  3. 转子转速 1000rpm/div
  4. 移相器线电压 50V/div
  5. 电机线电流 2A/div

图14 启动特性（N=0-2000r/min）.

6 结论

本文提出了一种无位置传感器的无刷直流电机，位置信息是由在开放相上的续流二极管的导通状态决定的。在斩波操作下的开放相电流是由电机绕组的反电动势产生的。因此，这被认为是反电动势通过续流二极管的直接检测。这种方法与传统的直接检测反电动势的方法相比，其特点是其精密的位置检测，并使其能在45-2300r/min这样宽的速度范围内检测转子位置。在45r/min的低速状态下，位置传感器驱动的能力为简化启动程序做出了很大的贡献。然而，在这里提出的无位置传感器检测方法，要求逆变器在斩波模式下运行，以便算法正常工作。实验结果表明，功率300w的原理样机展示了所提出系统的有效性。

附录A

推导（1）

图5展示的从Da-到Tb-的循环方程为：

因此，一下是电机电阻和电感的电压降：

由图5所示的电机中性点vn电势：

将（8）代入（9）可得到下面方程式：

由于c相端电压vc=ec vn ，（1）式推导如下：

附录B

假设电机A的角加速度为常数，则电机速度由下面方程表示：

如果位置信号检测在t=0时，下第一个信号是当转子转到60°时获得，：

因此，周期T0为：

移相器输出相应信号输出的时间tcrsquo;为：

移相器的相位延迟p为：

将（14）代入（15）得到：

参考文献

  1. J. De La Ree and N.Boules,“Torque production in permanent-magnet synchronous motors,”in IEEE/IAS. Mtg. Conf. Rec.,1987,pp.15-20.
  2. Y. Murai, Y. Kawase, K. Ohashi, K. Nagatake, and K. Okuyama,“Torque ripple improvement for brushless dc miniature motors,' in IEEE/IAS Ann.Mtg.Conf.Rec.,1987,pp.21-26.
  3. P. Pillay and R. Krishnan ,'Modeling, simulation, and analysis of permanent-magnet motor drives, PartI: The brushless dc motor drive,' IEEE Trans. Industry Applications,vol.25,pp.274-279,Mar./Apr.

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