一种新型无刷直流电机转子位置检测方法

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不同导通状态下的假中性点电压
电机制造商一般不提供电机中性点引出线， 利 用阻值同为 R2 的三个电阻星形连接构造出电机的 “ n （ 如图 1 所示 ） ， 假中性点 ” 实际定子绕组中性点 记为 s， 无 刷 直 流 电 机 每 相 绕 组 可 等 效 为 电 阻、 电 反电动势串联而成， 电机三相对称， 用 R s 表示定 感、 L 表示定子相电感 （ 包括自感和互感 ） ， ex 子相电阻， b， c 相。 表示 x 相反电动势， 其中下标 x 分别代表 a，
图1 Fig. 1
主电路结构图
The schematic of main circuit
本文以上管恒通、 下管 PWM 控制 （ H － on － L － PWM） 逆变器为例分析假中性点电压， 分析时以直 流母线负端 g 点为参考电位。 由电流定律可得 U an + U bn + U cn = 0 ， （1）
收稿日期： 2009 － 9 － 22 “十一五” 211 建设资助项目 基金项目： 台达电力电子科教发展基金 （ DREG2009009 ） ；上海大学创新基金和上海大学 作者简介： 杨 影（ 1979 —） ， 女， 博士， 讲师， 研究方向为电机控制； 阮 毅（ 1955 —） ， 男， 博士， 教授， 博士生导师， 研究方向为电机控制； 陶生桂（ 1940 —） ， 男， 教授， 博士生导师， 研究方向变流与传动及其控制。
∑
k n cos（ nω e t － 2 nπ / 3 ） k n cos（ nω e t）
ωe t ∈
( 0 ，π 3 ] ]
π] ( 23π ， 4π ( π， 3 ]
Байду номын сангаас
E 2 E 2 E 2
n = 1， 5， 7…
∑
ωe t ∈
(
π 2π ， 3 3
n = 1， 5， 7…
∑
k n cos（ nω e t + 2 nπ / 3 ） k n cos（ nω e t － 2 nπ / 3 ） k n cos（ nω e t）
b， c 相。 其中 Uxn 为电阻网络两端电压， 下标 x 代表 a， 由式（ 1 ） 得 U ag + U gn + U bg + U gn + U cg + U gn = 0 。 其中 U xg 表示逆变器 x 相桥臂输出。 由式（ 2 ） 可得假中性点电压 U ng ， 即 U ng = （ U ag + U bg + U cg ） / 3 。 （3） 当逆变器采用单边 PWM 控制时， 每个导通模 3 ： 、 式内有 种工作状态 换相过程 正常导通状态、 有 （2）
第2 期
杨影， 等：一种新型无刷直流电机转子位置检测方法
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方法就失去了优势。此外电机制造商一般不提供电 机中性点引出线， 在这种情况下能否利用假中性点
［ 8 － 9］ ； 因此 电压提取反电动势三次谐波还存在争议 以分析假中性点电压为突破点， 找到新的转子位置
反电动势电流流过的关断相导通状态， 其中主要工 作在正常导通状态， 为此首先计算此时的假中性点 电压。 S y （ t） 表示功率开关 y （ y = 1 ， 2， …， 6 ） 的开关信 号， 为 1 表示功率开关导通， 为 0 表示关断。 在 S1 － S2 导通模式 （ 功率开关 S1 恒导通， 对 S2 进行 PWM 控制） 下， 电机工作在正常导通状态时， 可得 U ag = U dc S1 （ t） ， U cg = U dc （ 1 － S2 （ t） ） ， U bg = U bs + U sg = e bs + U sg 。 （4） （5） （6）
ωe t ∈ ωe t ∈
中图分类号： TM 351 文献标志码： A 文章编号： 1007－ 449X（ 2010 ） 02－ 0060－ 05
Research on novel approach to rotor position detection of brushless DC motors
YANG Ying1 ， RUAN Yi1 ， TAO Shenggui2
［ 7］
永磁无刷直流电机因其效率高、 可靠性高、 使用 寿命长等得到越来越广泛的应用， 尤其作为中小功 率高性能调速电机在航空航天、 军事、 家电及工业领 。 域有广阔的应用前景 但是外置式位置传感器带来 了环境与空间的限制， 使其在高温、 有强腐蚀性气体 等恶劣环境下和一些空间有限的应用场合难于使 用。为此， 研究人员进行了大量的无刷直流电机无 位置传感器控制方面的研究工作， 目前反电动势过
要： 提出一种新的基于假中性点电压交流分量积分过零点的转子位置检测方法 。 通过对假中 性点电压信号特性的分析， 提出假中性点电压交流分量积分过零点对应电机换相时刻 。 该方法低 摘 实现简单， 不要求无刷直流电机具有理想的梯形波磁场， 在直流母线电压低的中 速检测范围更宽， 小功率应用场合尤其具有技术优势 。实验验证了方法的有效性。 关键词： 无刷直流电机； 无位置传感器； 假中性点； 交流分量
(
)
（9）
依此类推得到其他导通模式下的假中性点电 压， 并将谐波求和部分称为交流分量 U ng － ac ， 其余部 分称为直流分量 U ng － dc ， 如表（ 1 ） 所示。 从表（ 1 ） 可以看出， 假中性点电压交流分量由 幅值减半的反电动势基波、 五次谐波、 七次谐波等分 段合成， 不含三次及其倍数次谐波分量。 其直流分 量与 PWM 调制方式有关， 仅对下管进行 PWM 控制 时， 直流分量为 U dc / 2 与 U dc 间变化的脉冲电压， 经 。 PWM 过低通滤波后得到直流偏移量 假定 占空比 为 DR ， 滤波后直流偏移量为（ 1 － D R / 2 ） U dc 。 当无刷直流电机工作在换相状态时 ， 由 U ng 的 表达式可知， 假中性点电压与换相所在桥臂、 直流母 PWM 状态有关， 线电压、 持续时间一般很短。 当无 刷直流电机工作在关断相导通状态， 仅对下管调制 时， 反电动势电流总是出现在 PWM 为 off 状态， 且 流过关断相所在上桥臂的反并联二极管， 此时假中 性点电压为直流母线电压， 而当 PWM 为 on 状态时 电机仍处在正常导通状态。
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电
表1
机
与
控
制
学
报
第 14 卷
不同导通模式下的假中性点电压 SNPV under six conduction modes
交流分量 U ng － ac E 2
n = 1， 5， 7…
Table 1
导通模式 S1 － S2 S2 － S3 S3 － S4 S4 － S5 S5 － S6 S6 － S1 直流分量 U ng － dc
（ 1. Shanghai Key Laboratory of Power Station Automation Technology，Dept. of Automation，Shanghai University， Shanghai 200072 ，China； 2. Dept. of Electrical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092 ，China）
检测方法成为本文的研究重点。 本文将计算不同导通状态下 PWM 控制逆变器 的假中性点电压， 给出其信号特性和谐波组成， 在此 基础上提出一种基于假中性点电压交流分量积分过 零点的电机转子位置检测方法。由于交流分量幅值 通常几倍于三次谐波幅值， 因此该方法低速检测范 围更宽， 易于实现， 适用于所有采用两两导通控制的 无刷直流电机， 在直流母线电压低的中小功率应用 场合尤其具有技术优势。论文实验验证了方法的可 行性。
S1 Udc R1 h R 1 S4 D4 S6 b D6 S c 2 D2 g R2 D 1 S3 D 3 S5 D5 Rs Rs Rs R2 R2 L L L ea eb ec s
(
)
（7）
利用谐波合成得到各相反电动势， 其中 a 相表 达式为 e a = E （ cos（ ω e t） + k3 cos（ 3 ω e t） + k5 cos（ 5 ω e t） + k7 cos（ 7 ω e t） + …） ， （8） rad / s； E 为反电动势基波分 式中： ω e 为电角速度， V； k n （ n = 1 ， 3， 5， 7 …） 为 n 次谐波系数。 量幅值， 将反电动势谐波表达式代入式（ 7 ） ， 化简后得 U ng = （ U dc S1 （ t） + U dc （ 1 － S2 （ t） ） ） / 2 + E k n cos nω e t － 2 nπ 。 2 n =∑ 3 1， 5， 7…
0
引
言
零点检测法技术成熟， 得到了广泛应用；但该方法需 1 － 5］ 要深度滤波， 恶化了电机运行性能。 文献［ 提 出利用反电动势观测器来观测线间反电动势 ， 利用 线间反电动势过零点指导无刷直流电机换相 ； 但是 这类方法或是需要进行大量计算， 或是对电机参数 ［ 6］ ， 。 敏感 并且有最高转速的限制 基于反电动势三 次谐波的转子位置检测方法能在超高转速下检测转 子位置， 克服了滤波延时带来的系统运行性能变差 ， 但反电动势三次谐波的幅值小； 因此在低 压应用场合且要求有较宽的低速调速范围时 ， 这种 问题
Abstract： This paper presents a novel rotor position detection method for Brushless DC motors using AC Component of Supposing Neutral Point （ SNP） . SNP voltage was analyzed. And zerocrossing detection of integrated AC component gave commutation instants. This method also worked for the BLDC without ideal trapezoidal magnetic field over a wide speed range and was simple to implement. It provided especially good performance for low voltage BLDC. The validity is verified through experiments. Key words： BLDC ； sensorless； supposing neutral point； AC component
（ U dc S1 （ t） + U dc （ 1 － S2 （ t） ） ） / 2 （ U dc S3 （ t） + U dc （ 1 － S2 （ t） ） ） / 2 （ U dc S3 （ t） + U dc （ 1 － S4 （ t） ） ） / 2 （ U dc S5 （ t） + U dc （ 1 － S4 （ t） ） ） / 2 （ U dc S5 （ t） + U dc （ 1 － S6 （ t） ） ） / 2 （ U dc S1 （ t） + U dc （ 1 － S6 （ t） ） ） / 2
第 14 卷
第2 期
2010 年 2 月
电 机 与 控 制 学 报 ELECTRI C MACHINES AND CONTROL
Vol. 14 No. 2 Feb. 2010
一种新型无刷直流电机转子位置检测方法
1 1 2 杨影 ， 阮毅 ， 陶生桂
（ 1. 上海大学 自动化系 上海市电站自动化技术重点实验室，上海 200072 ； 2. 同济大学 电气工程系，上海 200092 ）
根据电机相电压方程求出 Usg ， 并将式 （ 4 ） 、 式 （5 ） 、 式（6 ） 和 Usg 代入式 （ 3 ）， 可得此时假中性点电 压为 U ng = 1 （ U dc S1 （ t） + U dc （ 1 － S2 （ t） ） ） + 2 e as + e cs 1 。 e － 3 bs 2