無位置傳感器無刷直流電動機的起動研究

    李春菊，彭磊，謝衛才

    (湖南工程學院，湖南湘潭411101)

    摘要：提出一種估計內嵌式永磁無刷直流電動機靜止時轉子位置的新方法。該估計方法的原理是基于由于定子磁飽和使得磁軸中無刷直流電動機的電流發生變化，其優點是轉子初始位置的****估算誤差為6^o，電動機的起動轉矩顯著增加。仿真結果表明了該方法的有效性。

0引  言

    目前無傳感器無刷直流電動機轉子位置檢測多采用反電勢法，然而在電機靜止或轉速很低時，很難通過反電勢過零點檢測得到正確的位置信號，這就不可能或很難估計轉子位置，使電機起動困難，且嚴重影響了電機的調速范圍。因此，如何克服反電動勢法中電機起動困難，以及如何擴大電機調整范圍就成為十分重要的課題。而這些問題歸根結底是要研究在無位置傳感器無刷直流電動機中如何更精確地檢測轉子位置信號。電機靜止時估計轉子初始位置的一種比較常用的方法是定子鐵心的飽和效應，即在電機轉子磁極北極與定子繞組軸對應處，定子繞組電感值最小，通過施加電壓矢量作用于電機的定子繞組來確定轉子位置，以電感值最小處所對應的電壓矢量為d軸。文獻[3]提出了一種新的方法，該方法轉子位置估計的****誤差為±15^o。本文提出的方法使轉子位置估計的****誤差為6^o，與文獻[3]的方法相比，起動轉矩明顯增大。

1轉子初始位置估計原理

    轉子位置估計是基于定子鐵心的非線性磁化特性，即當定子繞組電流產生的磁場與轉子磁場反向時，磁路飽和程度下降，磁阻下降，電感加大，定子電流減少；反之，磁阻增大，電感變小，定子電流增大。圖l為電壓源逆變器在d-q平面的8個電壓空間矢量，通過施加電壓空間矢量和測量相應的定子電流，就可以估計出轉子位置。無刷直流電動機在靜止時的等效電路如圖2所示。圖3為隨轉子位置θ變化的定子電感。電感在轉子d軸時最小q軸****，因此，可使用電機磁飽和所產生的這個現象來估計轉子初始位置。

2轉子位置估計

    本文中轉子位置估計分兩個階段。第一階段，采用30。分解法估計轉子位置，其****位置估計誤差為±15^o，第二階段是本文所提出的采用一個簡單的新方程來估計轉子位置。

  第一階段分i個步驟：

  (1)如圖4a所示，將兩個方向相反的電壓矢量v1、v4相隔時間ts先后施加到電機上，對應每個電壓矢量測量出的直流母線采樣電流分別存儲為，i1和i4，如果i1大于i4，則表明磁極北極比較靠近電壓矢量v1，這樣磁極北極就處在圖4a陰影部分區域，則用180^o分解度可估計轉子位置。

    (2)位于圖4a陰影部分區域的另兩個電壓矢量v2、v6在同一時期內交替使用，其對應的直流母線采樣電流分別為i2和i6，則轉子位置或d軸比較接近直流母線采樣電流較大的電壓矢量。例如，如果電流i1大于i2和i6，則轉子d軸位于圖4b陰影部分區域。

    (3)如果電流i2大于i6，則可斷定轉子d軸位于圖4c陰影部分區域，反之，則轉子d軸位于圖4d

陰影部分區域。

    在第二階段中，為了精確地估計轉子位置，采用第一階段測量的電流，如果假定轉子位置是在圖4c所示的區域，則使用的測量電流為i1、i2和i6，這些電流在0^o～30^o轉子位置的仿真結果如圖5所示。結果表明，隨著轉子位置的增加，i1和i6減少，而i2增加，電流差i1-i2、i2-i6和i1-i6對轉子位置的仿真結果如圖6所示。假定i1-i2、i2-i6和i1-i6的線性近似值如圖7所示，則轉子位置θ的估計值為：

用式(1)可更精確地估計轉子位置．

    轉子位置θ估計值的仿真結果和估計誤差eθ分別如圖8和圖9所示。圖9表明用式(1)可將****估計誤差減小到6^o，程序流程圖如圖l0所示。

3起動方法

    無刷直流電動機在靜止和起動時的電磁轉矩可表示為：