近年來, 國內(nèi)外均出現(xiàn)了很多的位置信號(hào)檢測方法, 其中較為成熟的主要有四類: 反電勢法、續(xù)流二極管法、電感法和狀態(tài)觀測器法。

2.1　反電勢法

“反電勢法”是迄今為止最成熟、最有效, 也是最常見和應(yīng)用最為廣泛的一種轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測方法。這種方法的基本原理就是在忽略永磁無刷直流電機(jī)電樞反應(yīng)影響的前提下, 通過檢測“斷開相”(逆變橋上下功率器件皆處于關(guān)斷的那一相) 的反電勢過零點(diǎn), 來依次得到轉(zhuǎn)子的六個(gè)關(guān)鍵位置信號(hào), 并以此作為參考依據(jù), 輪流觸發(fā)導(dǎo)通六個(gè)功率管, 驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

這種方法較常用于電樞繞組采用星形接法的“三相六拍- 120?方波型”驅(qū)動(dòng)的永磁無刷直流電機(jī)(因?yàn)榉讲姍C(jī)只需若干個(gè)離散的關(guān)鍵轉(zhuǎn)子位置信號(hào))。圖1 (a)、(b) 分別給出了一臺(tái)方波電機(jī)的主回路, 反電勢波形及逆變器功率器件的觸發(fā)組合狀態(tài)。由圖1 (b) 可知, 在逆變器供電的任一瞬間, 總有一相其上下橋臂均處于斷開狀態(tài), 即電機(jī)該相繞組是懸空的, 故該相繞組的相電壓等于其感生電勢。在忽略電樞反應(yīng)對氣隙磁場造成影響的前提下, 可近似認(rèn)為這一感生電勢就等于該相繞組所產(chǎn)生的反電勢。檢測這一反電勢的過零點(diǎn)時(shí)刻, 并作適當(dāng)延遲, 即可得到功率器件的正確觸發(fā)時(shí)刻, 而反電勢過零點(diǎn)又可通過相電壓或端電壓檢測得到。

假定在T 0～ T 1 期間, G5、G6 導(dǎo)通, a 相懸空,如圖1 (a) 所示, 可知a 相的反電勢ea= U an (a 相相電壓) , a 相的端電壓U ag= U an U ng= ea U ng。在t0時(shí)刻, ea= 0, b、c 兩相電流相反, 并認(rèn)為其阻抗相等, 且由反電勢波形可知: 此時(shí)eb ec= 0, 故U ng=1/2U d , 所以U ag= ea U ng= 1/2U d。只要能檢測到U an 或(U ag - 1/2U d ) 的過零時(shí)刻, 即可間接檢測到ea 的過零時(shí)刻。由于該檢測點(diǎn)超前于下次換流30?,故可在延遲1/12 逆變周期后, 關(guān)斷G5, 觸發(fā)導(dǎo)通G1, 這樣可保證電機(jī)能連續(xù)產(chǎn)生最大平均電磁轉(zhuǎn)矩。重復(fù)上述過程, 依次檢測ea 的另一個(gè)過零點(diǎn)及eb、ec 的全部過零點(diǎn), 并作同樣延遲后, 輪流觸發(fā)導(dǎo)通a、b、c 三相的上下橋臂, 即可保證永磁無刷直流電機(jī)的正確換向時(shí)序。根據(jù)檢測對象的不同, 這種檢測方法又可分別叫做相電壓法(檢測U an )、端電壓法(檢測U ag )。其中, 端電壓法的應(yīng)用較多。在端電壓法中, 為了實(shí)現(xiàn)各相端電壓的過零檢測, 首先可將U ag、U bg、U cg 分別輸入一低通濾波裝置, 以剔除其中會(huì)嚴(yán)重干擾反電勢波形, 使得過零點(diǎn)不明確的斬波信號(hào)[4 ]; 然后再使用一電壓比較器, 分別將各相端電壓同零電平比較, 依據(jù)比較結(jié)果所產(chǎn)生的編碼信號(hào)進(jìn)行編碼, 來得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。目前, 零電平的選取大多如圖2 所示[2 ] , 由V a、V b、V c 經(jīng)三相對稱星形連接的電阻電路的中心點(diǎn)電平V 0 代替。最近國外提出了一種新方法: 把三相反電勢(用相電壓代替) 首先由方波轉(zhuǎn)化成三相對稱正弦波, 再通過星形連接, 得到中心點(diǎn)電平, 來代替零電平。這種方法可得到精確“0”點(diǎn)(三相對稱正弦波合成后即為零) , 能減小位置檢測誤差。

反電勢法原理簡單, 實(shí)現(xiàn)方便, 是目前應(yīng)用最多的一種無位置傳感器的位置檢測方法, 但這種方法也有兩個(gè)弱點(diǎn), 即: 起動(dòng)困難和誤差補(bǔ)償。當(dāng)電機(jī)靜止時(shí)或轉(zhuǎn)速較低時(shí), 反電勢為零或很小, 很難通過反電勢過零點(diǎn)檢測來得到正確的位置信號(hào), 故這種方法嚴(yán)重影響了電機(jī)的調(diào)速范圍, 使得電機(jī)起動(dòng)困難。因而使用這種方法時(shí), 電機(jī)通常要進(jìn)行“三段式”起動(dòng), 即“轉(zhuǎn)子定位”、“變頻加速”和“狀態(tài)切換”, 其中第二、三步跟電機(jī)的自身特性、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、外施電壓、加速曲線等密切相關(guān), 方法不當(dāng), 很容易造成電機(jī)失步, 起動(dòng)失敗。電機(jī)在由他控式變頻調(diào)速同步電機(jī)狀態(tài)向無刷直流電機(jī)狀態(tài)切換時(shí), 更是要求反復(fù)實(shí)驗(yàn), 軟硬件可靠?，F(xiàn)在很多應(yīng)用場合都是通過軟件來實(shí)現(xiàn)自檢和切換[4 ] [6 ]。此外, 反電勢法因?yàn)楹雎粤穗姌蟹磻?yīng)對氣隙合成磁場的影響, 故在原理上就存在一定的誤差。顯然, 當(dāng)反電勢過零點(diǎn)和氣隙合成磁場(轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場和定子電樞反應(yīng)磁場的合成) 匝鏈電樞繞組所產(chǎn)生的總的感生電勢過零點(diǎn)不重合時(shí), 就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子位置誤差, 且反電勢系數(shù)K e 越小或電機(jī)轉(zhuǎn)速越低, 誤差就越大, 所以在反電勢法的永磁無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制中, 必須要有一定的誤差補(bǔ)償措施。

2.2　續(xù)流二極管法

續(xù)流二極管法又稱“第三相導(dǎo)通法”, 它是通過反并聯(lián)于逆變橋功率開關(guān)管上續(xù)流二極管導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)的檢測來確定轉(zhuǎn)子位置的。這種方法同樣適用于120?導(dǎo)通、三相六拍方波驅(qū)動(dòng)的永磁無刷直流電機(jī), 其實(shí)現(xiàn)方案的主回路和所要求的功率器件PWM 時(shí)序分別如圖3 (a)、(b) 所示。下面以T a處于斬波, T b- 處于導(dǎo)通階段為例來說明其工作原理。當(dāng)T a 由開通轉(zhuǎn)為關(guān)斷時(shí), 若繞組自感、互感均為常數(shù), 則C 相的端電壓可表示為

式中　ea、eb、ec——分別是a、b、c 三相的反電勢

      V CE、V F ——分別是功率器件和續(xù)流二極管的正向?qū)▔航?/font>

     若要“第三相導(dǎo)通”, 即D c- 導(dǎo)通, 則必須

將(1) 代入(2) , 可得

當(dāng)ec= 0 時(shí), ea eb= 0, V CE、V F 很小, 可忽略,故續(xù)流二級(jí)管導(dǎo)通的條件近似為ec< 0, 只要檢測D C- 的導(dǎo)通狀態(tài), 就可檢測到C 相反電勢的過零點(diǎn); 作適當(dāng)延遲后, 再導(dǎo)通T C- , 如此反復(fù), 即可得正確的換向時(shí)序, 依次觸發(fā)不同的功率管, 帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

續(xù)流二級(jí)管法其本質(zhì)還是反電勢法, 只是在“斷開相”反電勢過零點(diǎn)檢測上有了一定的改變。這種改變在一定程度上能夠拓寬電機(jī)的調(diào)速范圍, 尤其是能拓寬電機(jī)調(diào)速的下限, 因?yàn)槔m(xù)流二級(jí)管的導(dǎo)通壓降很小, 只要
即可, 而V CE和V F 通常都很小。在有些應(yīng)用場合, 電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速甚至能小于100r/min。

但這種方法也有較大的不足:

(1) 它要求逆變器必須工作在上下功率器件輪流處于PWM 斬波方式, 控制的難度較大

(2) 它必須從軟、硬件兩個(gè)方面去除二極管續(xù)流導(dǎo)通的無效信號(hào)和因毛刺干擾而產(chǎn)生的誤導(dǎo)通信號(hào)

(3) 這種方法也存在著較大的誤差, 當(dāng)K e 很小或轉(zhuǎn)速較低時(shí),V CE、V F 和反電勢相比就不可忽略, 因忽略而造成的誤差應(yīng)有一定的相位補(bǔ)償措施。正因?yàn)橐陨系娜秉c(diǎn)和不足, 這種方法現(xiàn)在在國內(nèi)應(yīng)用并不是很廣泛。

2.3　電感法

電感法有兩種形式: 一種是用于凸極式永磁無刷直流電機(jī), 另一種是用于內(nèi)嵌式磁鋼結(jié)構(gòu)的永磁無刷直流電機(jī)。第一種電感法主要是通過在起動(dòng)過程中對電機(jī)繞組施加探測電壓來判斷其電感的變化, 它是“反電勢法”中所用到的一種起動(dòng)技術(shù)。因?yàn)樵谕箻O機(jī)中, 繞組自感L 可表示成繞組軸線與轉(zhuǎn)子直軸間夾角H的偶次余弦函數(shù), 通過檢測L 的變化, 就可判斷出轉(zhuǎn)子軸線的大致位置, 再根據(jù)鐵心飽和程度的變化趨勢確定其極性, 從而最終得到正確位置信號(hào)。這種方法因?qū)崿F(xiàn)難度較大, 且只能應(yīng)用于凸極機(jī), 故現(xiàn)在應(yīng)用也較少。

與第一種相比, 第二種形式才是真正意義上的電感法。在一臺(tái)內(nèi)嵌式永磁無刷直流電機(jī)中, 繞組電感會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)子位置的改變而發(fā)生相應(yīng)變化, 通過檢測這些變化, 再經(jīng)過一定計(jì)算, 即可得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。當(dāng)星形接法三相繞組的電感發(fā)生變化時(shí),其中點(diǎn)電位V n 就會(huì)發(fā)生變化。不妨假定圖3 中的T a 、T b- 導(dǎo)通, 當(dāng)ec> 0 時(shí), L b> L a , V n> 1/2U d; 反之, 當(dāng)ec< 0 時(shí),L b< L a ,V n< 1/2U d; 當(dāng)且僅當(dāng)ec= 0時(shí),L b= L a ,V n= 1/2U d。所以, 檢測L b= L a 時(shí)刻, 即可檢測到ec 的過零點(diǎn)時(shí)刻。這種方法由國外最先提出, 并在空調(diào)壓縮機(jī)控制上有所應(yīng)用, 調(diào)速范圍大概能達(dá)到500～ 7, 500r/min。這種方法檢測的精度較高、誤差較小, 但實(shí)現(xiàn)難度也較大, 它需要對繞組電感進(jìn)行不斷的實(shí)時(shí)檢測。

2.4　狀態(tài)觀測器法

狀態(tài)觀測器法即轉(zhuǎn)子位置計(jì)算法, 是將電機(jī)三相電壓、電流作坐標(biāo)變換, 在派克方程的基礎(chǔ)上估算出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的一種方法[2 ]。這種方法近年來國外提得較多[9 ]。這種方法檢測轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的基本原理是: 將電機(jī)在a2b2c 坐標(biāo)系下的三相實(shí)測相電流和相電壓轉(zhuǎn)換至代表轉(zhuǎn)子假想位置的A2B 坐標(biāo)系下(兩坐標(biāo)系的角度差為$H) ; 再根據(jù)該坐標(biāo)系下的電流由派克方程計(jì)算出三相電壓值; 比較這一電壓和前面經(jīng)轉(zhuǎn)換所得電壓的差值, 就可得函數(shù)關(guān)系$U = f ($H)。經(jīng)推導(dǎo)可發(fā)現(xiàn): 當(dāng)$H→0 時(shí), $U∝ $H, 故可采用一狀態(tài)觀測器來觀測$U , 從而獲得$H, 即轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。狀態(tài)觀測器法一般只適用于感應(yīng)電勢為正弦波的永磁無刷直流電機(jī), 且計(jì)算繁瑣, 對微機(jī)性能要求較高。所以這種方法盡管在八十年代末就有人提出, 國外發(fā)表的相關(guān)文章也很多, 但應(yīng)用卻不是很廣泛。只是到了近年, 由于單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 特別是高性能微處理器DSP (數(shù)字信號(hào)處理器) 的應(yīng)用和推廣, 該方法才有了一定的應(yīng)用場合。國外已有人采用TM S320C31、TM S320C30、ADMC330等DSP 芯片實(shí)現(xiàn)了該種方法的永磁無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制。

永磁無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制綜述 上海大學(xué)(200072) 　呂志勇　江建中