无刷直流电机转子位置检测的新方法

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表:2007-06-28 人气:24

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摘　要：介绍了无刷直流电机无位置传感器转子位置检测的一种新方法。该方法利用非导通相反电势逻辑电平经逻辑处理后得到一脉冲列，采用PLL锁相技术将脉冲列倍频，通过倍频电路计数器的计数值可以精确检测转子位置。利用数字比较技术将计数值与锁存器中的预置数值比较，可以精确控制绕组电流的最佳换向时刻。通过调节锁存器中的预置值可以方便地调节换向角，非常适用于无刷直流电机的各种控制算法。同时该方法克服了外同步起动过程中易产生的振荡和失步现象。通过实验证明该方法是正确的、有效的。
关键词：无刷电机；无位置传感器；检测

1　引言

无刷直流电机运行时需要采用位置传感器检测转子磁场位置信号，以控制逆变器功率管的换流，实现电机的自同步运行。传统的位置传感器是采用电子式或机电式传感器件直接测量，如霍尔效应器件（HED）、光学编码器、旋转变压器等。然而，这些传感器有以下缺点：

①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。
②增加了电气连接数目，给抗干扰设计带来一定困难。
③占用电机结构空间，限制了电机的小型化。

因此，无刷直流电机的无位置传感器化技术近年来日益受到人们的关注，国内外研究人员在这方面进行了积极的研究，提出了诸多方法，主要可分为反电势法、电感法、磁链法、旋转坐标系法、观测器法、卡尔曼滤波器法等［1～4］。反电势法简单、可靠，得到了广泛应用，其它方法由于计算复杂、对参数的鲁棒性差等原因应用较少。但反电势法的缺点是：

①低速时反电势小，难以得到有效转子位置信号，系统低速性能差。
②需用低通滤波器去掉端电压中高频噪声并移相30°以满足换流要求，对滤波器要求较高，同时滤波器容易产生移相误差，而且移相误差大小与速度有关，难以补偿［5］。
③对换相角调节困难，无法控制换相角γ（超前或滞后）的大小。
④若采用外同步脉冲起动，当驱动信号由外同步脉冲驱动向内同步脉冲驱动切换时，由于切换点的相位误差易产生振荡甚至失步［6］。

针对以上问题，本文提出了一种新型转子位置检测的方法，以三相6拍运行的无刷直流电机为例，该方法利用非导通相反电势的过零检测信号，经逻辑处理后，得到一周期为60°电角度的脉冲列，利用PLL锁相技术对该脉冲列进行倍频，通过同步计数器计数值和锁存器预置数值的比较，可获得理想的换相点，从而精确控制换相时刻，且无时间延迟。起动时，依靠对电机在最佳切换时刻，以最佳触发方式投入自同步运行，使起动过程平稳可靠。利用数字比较技术，依靠锁存器中的不同赋值，可以灵活准确地实现换向角超前或滞后的控制，对无刷直流电机的矢量控制、弱磁控制等控制策略的实现十分方便，实验证明该方法是正确的，有效的。

2　原　理

无位置传感器控制无刷直流电机的系统原理框图如图1所示，电机工作于三相6拍工作方式，采用电压外环、电流内环的双闭环控制，逆变器功率管以PWM调制方式工作，控制器以MC8031为核心。

电机运行时，检测非导通相的反电势过零点，利用过零比较器将反电势信号Ea、Eb、Ec分别转换为逻辑电平信号Va、Vb、Vc如图2所示。采用CMOS门电路组成的脉冲倍频器如图3所示，将Va、Vb、Vc倍频后相或，得一脉冲信号H，如图2所示，此时H脉冲列周期为60°电角度，从图2中可看出t0时刻恰好a相反电势向上过零，应延时30°电角度即在t0、t1时刻的中点t4时刻开通Ta，关断Tc；同理在t5时刻应开通Tc^-，关断Tb^-；在t6时刻应开通Tb，关断Ta……。可见精确确定t4、t5、t6……时刻是实现准确换流的关键，本文引入了PLL技术，利用锁相环将H脉冲信号N倍频，当倍频电路中计数器计数值等于N／2时，恰为最佳换相点。利用数字比较器将计数器计数值与锁存器中的预置数值进行比较，且锁存器中可预置数值N／2，从而可以检出最佳换相时刻，然后调用换相子程序，实现换相过程，其误差为±0.5LSB合±30°/N角度，可见该方法对换相点的控制精确。

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