无刷直流电机无位置传感器控制关键技术研究

华中科技大学博士学位论文无刷直流电机无位置传感器控制关键技术研究姓名：李自成申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：秦忆2010-03-01华中科技大学博士学位论文I摘要永磁无刷直流电机因具有结构简单、运行效率高、控制简单和维护方便等优点而得到了广泛应用。传统的无刷直流电机一般采用三相六状态120°导通方式，需要位置传感器在一个电周期内检测到六个关键的转子位置信号以便对三相绕组进行换相控制。然而，位置传感器增大了电机的成本和体积，易受外界信号干扰，降低了系统的可靠性，因此对无位置传感器无刷直流电机控制技术的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文以永磁无刷直流电机的无位置传感器控制为研究内容，针对在无位置传感器条件下的无刷直流电机控制的几个关键问题，即转子位置辨识方法、PWM控制策略、电机起动控制方法、转子位置辨识误差及其补偿分析、转矩脉动抑制策略等进行了较为系统和深入的理论分析、仿真和实验研究。反电动势法因原理简单、方法可靠等优点而成为转子位置检测的主要方法。本文在分析传统的反电动势过零检测需要虚拟电机绕组中点方法的基础上，提出了改进的相反电动势转子位置辨识理论。该方法抛弃了传统的反电动势硬件检测原理，只通过检测无刷直流电机任意两路线电压，经软件实时计算后，就可以得到未导通相反电动势的过零点。该方法结构简单、不需要构造虚拟的电机中点和信号深度滤波电路，具有简易性和可靠性等优点。在对无刷直流电机反电动势波形分析的基础上，提出了一种利用线反电动势过零原理来获得转子位置的新方法。该方法通过波形定性分析和傅立叶级数定量推导，均得出线反电动势的过零点就是对应的电子换相点这一结论。对于反电动势波形为任意平顶宽度的梯形波或正弦波，只要三相反电动势波形对称，该方法均适用于转子位置的估算。在此基础上，为减小对电机参数的依赖，提出了一种简化实用的线反电动势法来估算转子位置。该方法只依赖于电机定子电阻，并对定子电阻参数不敏感，无需30°相位延迟和上一次换相信息，具有理论和工程应用价值。分析和比较了无刷直流电机两两导通控制的八种PWM调制方式。通过对各种PWM方式下非换相期间非导通相电流续流情况进行的理论推导，分别得到与上述转子位置辨识方法各自对应的PWM调制方式。电机起动控制问题是无位置传感器控制技术的另一难点。本文基于定子铁心饱和法原理，提出了一种新的起动控制方法：即利用两两导通和三三导通得到的12个电压矢量脉冲施加到定子端，并通过检测各相定子电流峰值来判断定子电感的变化，华中科技大学博士学位论文II进而得到转子初始位置所在的30°区间，再通过施加特定的电压矢量将转子精确地定位到换相位置。在此基础上，通过升压升频原理顺序起动电机，一旦检测到线反电动势过零，即可切换到无位置传感器控制方式。研究表明，这种方法电机起动可靠，易于工程实现。详细分析了电机参数变化、电压电流采样误差、滤波电路相位延迟对转子位置辨识误差带来的影响。提出了一种利用昀小二乘法原理来拟合线性函数的方法进行相位延迟开环补偿，并根据反电动势波形的对称性提出了一种转子位置误差闭环校正方法。仿真和实验结果表明了该方法的实用性。转矩脉动是无刷直流电机两两导通方式固有的缺点。在无位置传感器控制下，由于转子位置辨识的误差，转矩脉动有可能进一步增大。本文分析了相反电动势平顶宽度、转子位置估算误差和换相期间非换相相电流畸变等因素对转矩脉动的影响后，提出了采用定子电流预测控制方法来抑制无刷直流电机转矩脉动。构建了以dsPIC30F6010为核心的系统实验平台，在此实验平台上进行了无刷直流电机无位置传感器控制系统性能实验，并与有位置传感器控制实验结果进行了对比，实验结果验证了本文提出的无位置传感器控制策略的正确性和可行性。关键词：无刷直流电机；无位置传感器；反电动势过零；脉宽调制；线反电动势；转矩脉动抑制；预测控制华中科技大学博士学位论文IIIAbstractPermanentmagnetbrushlessDCmotors(BLDCM)havebeenwidelyusedduetotheirsimplestructure,highefficiency,easeofcontrol,andlowmaintenance.Whenusingthree-phasesix-step120degreecommutationfortranditionalBLDCM,positionsensorsarenecessarytosenserotorpositioninformationforpropercommutation.However,thedrawbacksofrotorpositionsensorsinthecost,volumeandreliabilitylimittheapplicationofBLDCM.TheresearchonsensorlessBLDCMdriveshasimportanttheoreticalsignificanceandpracticalvalue.Inthisthesis,asystematicandin-depththeoreticalanalysis,simulationandexperimentalstudyonseveralkeytechnologiessuchasrotorpositionidentificationmethods,PWMcontrolstrategies,motorstart-upcontrolalgorithms,estimationerrorcompensation,andtorquerippleminimizationschemesareperformedforsensorlessBLDCMdrives.Themethodbasedonbackelectromotiveforce(EMF)ofBLDCMisoneofthemajorapproachesforrotorpositionestimationbecauseoftheadvantagesofsimpleandreliabledetection.Basedontheanalysisoftraditionalzero-crossingofbackEMFdetectionmethodsrequiringavirtualmid-pointofmotorwindings,animprovedphasebackEMFsensingrotorpositionmethodisproposed.TheunexcitedphasebackEMFsignalisindirectlyobtainedfromlinevoltagecalculationinsteadoftraditionalhardwaresensingmethod.Thismethodissimpleandreliabletoimplementwithouttheneedtosenseorreconstructthemotormid-pointanddepthfiltercircuits.Anovelschemeofzero-crossingoflinebackEMFsensingrotorpositionispresentedbasedontheanalysisofbackEMFwaveformsofBLDCM.Byqualitativewaveformanalysisandquantitativecalculation,theconclusionthatthezero-crossingoflinebackEMFisactualcommutationpointisdetailedlyproved.Forarbitraryflattopwidthofthetrapezoidalwaveorsinewave,aslongasthreephasebackEMFsaresymmetrical,theproposedmethodisappliedtotherotorpositionestimation.Onthisbasis,inordertoreducedependenceonmotorparameters,asimplifiedrotorpositionemstimationmethodoflinebackEMFisalsoproposed.Thismethodisonlydependentonthestatorresistanceofmotorparametersandhassometheoreticalandengineeringapplicationvaluebecauseofunrequiredphasedelayby30°orthelastcommutationinformation.EightkindsofPWMstrategiesforBLDCMareanalyzedandcompared.Throughtheanalysistothediodefreewheelingcurrentsintheunexcitedphaseonnon-commutationperiod,PWMstrategiesareobtainedcorrespondingtoaboverotorpositionidentification华中科技大学博士学位论文IVmethods.Howtocontrolmotorstart-upisanotherdifficultproblemforsensorlessBLDCMdrives.Basedonprincipleofstatorcoresaturation,anewstart-upcontrolmethodisproposed.Thismethodemploys12voltagevectorsinjectingthestatorsides,andthechangesofthestatorinductanceareobtainedbydetectingthepeakstatorcurrentofeachphase.Therefore,the30°rangeofrotorinitialpositionisdetermined.Andthentherotorpositionisaccuratelylocatedinthenextcommutationpositionthroughtheinjectionofparticularvoltagevector.Onthisbasis,motorstartingcanbecompletedthroughtheprincipleofraisingvoltageraisingfrequency.Oncethezero-crossingofbackEMFisdetected,operatingmodecanbeswitchedtosensorlesscontrolmode.Studieshaveshownthatthismethodmakethemotorstartreliablyandiseasytoimplementepractically.Theimpactofthemotorparametersvariation,voltageandcurrentsamplingerror,phasedelayfromfiltercircuitsonrotorpositionidentificationerrorisdetailedlyanalyzed.Themethodoffittingalinearfunctionforopenloopphasedelaycompensationbasedonaleastsquaremethodisproposed,andacloselooprotorpositionerrorcorrectionmethodisalsopresentedaccordingtothesymmetryofbackEMFwaveforms.Simula