[發明專利]永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測系統

有效

• 申請號: 201410595363.4
• 申請日: 2014-10-30
• 公開（公告）號: CN104283482B
• 公開（公告）日: 2017-07-04
• 發明（設計）人: 周揚忠;陳旭東;張登靈
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: H02P21/18
• 分類號: H02P21/18;H02P21/04;H02P21/24
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司35100
• 代理人: 蔡學俊

技術領域

本發明涉及電機轉子位置檢測技術領域，特別涉及一種兩相導通模式下永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測系統。

背景技術

永磁無刷直流電機（BLDCM）由于其具有結構簡單、出力大和效率高等特點，已在國防、航空航天、機器人、工業過程控制、精密機床、汽車電子、家用電器和辦公自動化等領域中得到了較好的應用，對其高性能控制策略的研究具有重要的理論意義和使用價值。目前對其控制策略的研究主要有兩種：電流閉環PWM控制和直接轉矩控制（DTC）。

與傳統的正弦波永磁同步電機相比較，永磁無刷直流電機轉子反電動勢理論上設計為方波，這樣在繞組中流過方波電流，調節方波電流的幅值即可控制電磁轉矩，任何瞬時只有兩相定子繞組串聯實現機電能量轉換，而第三相定子繞組懸空沒有電流，這種繞組導通方式稱為兩相導通模式。

為了實現繞組可靠換流，絕大多數永磁無刷直流電機內置了霍爾傳感器，輸出三路開關信號，據此實現繞組電流的換流。但從系統可靠運行及降低系統成本角度，希望實現無位置傳感器運行。對于電流閉環PWM系統，主要采用的無位置傳感器方案有高頻信號注入法、基于基波模型法，除了高頻信號注入法外，其它方案無位置傳感器運行的最低轉速只有100r/min左右，這樣一種運行最低轉速的瓶頸會帶來兩個主要不利影響：1）電機由零轉速閉環負載啟動困難，甚至出現啟動失敗。這是由于極低轉速區域，轉子位置觀測值極不準確，致使繞組電流換流及電磁轉矩控制不正確。為此，只能采用其他輔助方法進行啟動電機，例如：三段式啟動法、預定位啟動法、升頻升壓同步啟動法、電壓插值啟動法等。這些輔助啟動方法一定程度上制約電機啟動時負載能力，同時也制約了驅動系統極低轉速運行。2）無位置傳感器運行有效調速范圍較窄。雖然高頻信號注入方法理論上可以實現零轉速運行，但現有的文獻研究的高頻信號注入法要求電機處于三相導通模型，研究成果無法應用于兩相導通模式。若在永磁無刷直流電機上采用三相導通模式，則從根本上磨滅了該種電機設計的初始出發點。

雖然電流閉環PWM系統無位置傳感器技術研究的較多，但對于直接轉矩控制無刷直流電機驅動系統的無位置傳感器技術的研究還很少，現有的技術均是基于可測量的電壓、電流量，借助電機的基波數學模型構建觀測器法。從公開文獻的實驗結果可見，能夠穩定運行的最低轉速約為60r/min（對應電頻率為5Hz）。

縱觀目前的兩相導通模式的永磁無刷直流電機無位置傳感器技術研究現狀，電機處于中、高轉速區的技術已經比較成熟，但低速及零轉速無位置傳感器技術研究還是一個空白，而且也是一個難點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測系統，該系統可以準確、可靠地觀測出永磁無刷直流電機在兩相導通模式下低速及零速運行時的轉子位置，應用范圍廣，實現成本低。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測系統，主要由交流電壓、整流電路、濾波電容、三相逆變器、永磁無刷直流電機組成的永磁無刷直流電機驅動控制系統，包括用于在導通的兩相串聯繞組中注入高頻電流的高頻電流注入電路以及三相繞組相電壓采集電路，所述三相繞組相電壓采集電路分三路分別與帶通濾波器相連接，以提取包括不導通相繞組在內的三相繞組相電壓中高頻分量，所述帶通濾波器依次連接乘法器、低通濾波器、加法器、坐標變換環節等，以獲得轉子位置角觀測誤差相關變量，所述坐標變換環節再依次連接PI控制器、積分器，積分器穩態時輸出即為轉子位置角觀測值。