无位置传感器无刷直流电机控制关键问题研究（二）

2018-11-13 11:15:22 1638 传感器电机 matlab

　　4.电机启动及过零点相移误差分析
　　前面分析了电机换相点获取的原理，很显然，电机反电势信号的幅值与转子转速成正比，在启动阶段，电机转速很慢，反电势幅值非常小，过零点鉴别困难，难以决定电机换相时刻，为电机启动带来困难.为解决无位置传感器无刷直流电机启动问题，科技工作者提出了多种启动方式，主要有特定位置开环启动法，任意位置开环启动法等.
　　“三段式”启动法结合了预定位方式和斜坡升速驱动方式，将电机启动过程分为转子预定位，外同步，自同步三个阶段.启动过程平稳可靠.
　　在转子预定位阶段，先导通电机任意一相定子绕组，这分两种情况，一种是定子合成磁势与转子磁势F成非180°角度，一种是定子合成磁势与转子磁势F成180°角度.第一种情况下，转子必然转到其磁势与定子合成磁势重合的位置，如图4中的第三幅.第二种情况下，电子转子处在非稳态平衡点，任何扰动都会破坏掉这种平衡，使电机转子转到稳定平衡点.
　　两种情况和最终稳定情况如图4所示（假定预定位导通的是A.C两相）.

　　当转子预定位成功后，三段式进入外同步阶段.此阶段转子位置难以精确辨明，电机处在开环加速状态，此时应结合电机调节特性曲线和分析计算的结果，对换相时间合理安排，逐步加速.具体计算方法在资料中有详细介绍，此处不赘述.
　　一般情况下当转子转速达到额定转速的10%-15%左右时，反电势就会达到比较理想的地步，此时电机进入闭环状态，转子位置由反电势测得，即进入自同步阶段，电机启动完成.值得注意的是，切换点要选择在外同步信号与反电势信号相位基本同步的时刻，以减小电机切换震荡，如图5所示.

　　在第三节中，分析了相移误差的，假设低通滤波电路如图6所示.

　　则应该补偿的相位误差为：

　　相延补偿时，若φ≤30°，将换相点选择在过零点之后30°-φ时刻，若φ>30°，将换相点选择在90°-φ时刻.
　　5.方案matlab 仿真及实验结果
　　通过以上的分析和对比，本文中转子位置判定方法采用反电势低通滤波器模拟中性点法，启动方法采用三段式启动法，并对低通滤波器相移误差进行补偿.
　　MATLAB/SIMULINK仿真模型如图7,电机参数为额定功率为200W.额定转速为3000r/min.5对极.定子电阻Rs为1.5Ω.定子电感Ls为8.5e-3H.

　　电机仿真转速曲线和反电势波形如图8所示.从图中可看出速度响应曲线良好.启动阶段反电势幅值较小，但电机三段式启动平稳可靠，只有切换点出现了轻微震荡.电机试验系统采用T M S 3 2 0 F 2 8 1 2作为核心控制芯片，控制电机为东洋公司9 2 B L -4 0 1 5 H 1 - L K B , 额定功率4 0 0 W , 额定电压220VAC,额定转速1500rpm,额定转矩2.5牛米，额定电流2A.

　　电机端电压波形如图9,模拟中性点和滤波后的反电势波形如图10所示.从图9,10可以看出，一开始反电势完全被端电压所淹没，经低通滤波器后，得到了理想的反电势和模拟中性点波形，经比较器后得出了非常理想的转子位置信号.

　　图12为启动阶段电机相电流波形，从图中可以看出，三段式启动方案能很好的完成电机启动，波动较小，启动迅速.

　　图13为未对滤波器相移补偿和对滤波器相移补偿后的定子电流波形.从图中可以看出，未补偿时，相电流存在明显的尖峰脉冲，转矩脉动必然较大，补偿后，尖峰得到明显抑制，波形显着改善，能有效消除转矩脉动.

　　综上可以看出，反电势低通滤波法结合相延补偿，能精确的完成无位置传感器无刷直流电机转子位置判定.三段式启动法原理简明，启动迅速，震荡小.这些方法相结合，在无位置传感器无刷直流电机控制中能发挥重要作用，能构成性能优良的无位置传感器无刷直流电机控制系统.