无位置传感器BLDC换相信号检测技术用无位置传感器的无刷直流电机替代传统的有传感器无刷直流电机的话,首先可以省去不少的引出线,其次也能降低控制电路设计和电机的复杂性。但若没有位置传感器提供转子位置的信号,准确找到转子位置以及能否及时的切换相成为了无位置传感器是否正常运行的关键。25324
1987年,针对不同应用背景下的无位置传感器无刷直流电机转子位置检测方法陆续被提出,根据使用原理可以将这些方法分为4大类:反电动势法、电流法、磁链函数法、基于人工的智能控制方法。前两种方法的研究相对比较成熟,且都已达到一定程度的应用,磁链函数法和人工智能方法的研究则刚刚处于起步阶段。论文网
(1)反电动势法
无刷直流电机中定子绕组产生的方波形状的旋转气隙磁场会带动转子按其旋转方向转动[2]。转子开始旋转后,定子上的线圈就会切割气隙磁力线,由电磁感应定律可知,切割磁力线的导体会产生感应电动势即运动电势,一般称为反电动势也就是BEF或反电势。
一般来说的话,某一相电枢绕组梯形波感应电动势的过零点时刻就是转子与该项绕组轴线重合的时刻,所以我们可以通过测量梯形波感应电动势的过零点间接获得转子位置,以确定换相时刻,这种方法被称为“反电动势法”。根据获得反电动势过零点方法的不同,可以将反电动势法从以下4个方面来讨论。
A.反电动势硬件比较过零点检测
利用未通电的相得到反电动势是获得位置信息最常用的一种方法,当某一相绕组未通电时,监测出电机中该相的感应电动势。采用硬件比较过零法,将未导通相端电压信号与电路中虚拟中性点电压信号送入比较器,当两者相等时,即发生过零点。由于开关噪声对低频反电动势有很大的影响,故需要对端电压和虚拟中性点进行分频滤波后再送入比较器。此方法有很多不足之处:首先它需要创建一个虚拟中性点,增加电路了复杂性。其次分频滤波电路会造成相位偏移使检测到的反电动势过零点不准确,而且相位偏移会随速度的不同而变化,使控制难以实现,所以在电机或者速度范围不相同时,则需要设计新的相关硬件电路参数,实际适用的场合很少。
B.线反电动势法
线反电动势法是针对硬件比较过零检测方法的电机中性点不易得到而提出的,其根据相电压与反电动势的关系推导出线电压与反电动势的关系,从而省去了虚拟中性点构造电路,理论上线电压的过零点就是换相点,不需要延迟30°电角度,但为了能获得稳定的线反电动势电压,同样需要加入引起相位偏移的分压滤波电路,需要进行相位补偿。这个方法是通过检测线电压的过零点来检测转子位置,实现电机控制,并通过软件方式进行了相位补偿[3]。这种方法一般能准确获得转子位置,但是软件补偿方式复杂,且不同电机,补偿参数不同,给实际应用带来不便。
C.反电动势积分比较阀值法
这是针对硬件比较过零点检测法会相位偏移而提出的一种方法。电机在任意给定的时刻只有两相导通,一相的33.33%是不通电的,在这段时间,出现在电机绕组中的感应电动势是可以被检测到的。相感应电动势产生过零点的信息,并且当反电动势达到恒定的区域,预示了该相应该通电的时间。为了不用等待感应电动势的恒定区域去给电机的一相通电,从感应电动势的过零点得到一个特殊的值,与离过零点瞬间30°相对应。积分器输出对应着离正向过零点30°,可称为阀值以用于一相通电中。反电动势积分的时间需根据速度来自行调整,因此在高速时能准确获得换相点,而在低速时不能检测到换相点。它采用了改进型反电动势积分法,将两路不导通相电压信号送给比较器,在检测到一路不导通相过零点后,对两路端电压开始积分,通过积分值的比例关系可以得到转子的位置,相比传统的反电势积分法,其不需要判断反电势极性,改善了低速运行状态下性能。
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