无位置传感器无刷直流电动机的起动研究

    李春菊，彭磊，谢卫才

    (湖南工程学院，湖南湘潭411101)

    摘要：提出一种估计内嵌式永磁无刷直流电动机静止时转子位置的新方法。该估计方法的原理是基于由于定子磁饱和使得磁轴中无刷直流电动机的电流发生变化，其优点是转子初始位置的****估算误差为6^o，电动机的起动转矩显著增加。仿真结果表明了该方法的有效性。

0引  言

    目前无传感器无刷直流电动机转子位置检测多采用反电势法，然而在电机静止或转速很低时，很难通过反电势过零点检测得到正确的位置信号，这就不可能或很难估计转子位置，使电机起动困难，且严重影响了电机的调速范围。因此，如何克服反电动势法中电机起动困难，以及如何扩大电机调整范围就成为十分重要的课题。而这些问题归根结底是要研究在无位置传感器无刷直流电动机中如何更精确地检测转子位置信号。电机静止时估计转子初始位置的一种比较常用的方法是定子铁心的饱和效应，即在电机转子磁极北极与定子绕组轴对应处，定子绕组电感值最小，通过施加电压矢量作用于电机的定子绕组来确定转子位置，以电感值最小处所对应的电压矢量为d轴。文献[3]提出了一种新的方法，该方法转子位置估计的****误差为±15^o。本文提出的方法使转子位置估计的****误差为6^o，与文献[3]的方法相比，起动转矩明显增大。

1转子初始位置估计原理

    转子位置估计是基于定子铁心的非线性磁化特性，即当定子绕组电流产生的磁场与转子磁场反向时，磁路饱和程度下降，磁阻下降，电感加大，定子电流减少；反之，磁阻增大，电感变小，定子电流增大。图l为电压源逆变器在d-q平面的8个电压空间矢量，通过施加电压空间矢量和测量相应的定子电流，就可以估计出转子位置。无刷直流电动机在静止时的等效电路如图2所示。图3为随转子位置θ变化的定子电感。电感在转子d轴时最小q轴****，因此，可使用电机磁饱和所产生的这个现象来估计转子初始位置。

2转子位置估计

    本文中转子位置估计分两个阶段。第一阶段，采用30。分解法估计转子位置，其****位置估计误差为±15^o，第二阶段是本文所提出的采用一个简单的新方程来估计转子位置。

  第一阶段分i个步骤：

  (1)如图4a所示，将两个方向相反的电压矢量v1、v4相隔时间ts先后施加到电机上，对应每个电压矢量测量出的直流母线采样电流分别存储为，i1和i4，如果i1大于i4，则表明磁极北极比较靠近电压矢量v1，这样磁极北极就处在图4a阴影部分区域，则用180^o分解度可估计转子位置。

    (2)位于图4a阴影部分区域的另两个电压矢量v2、v6在同一时期内交替使用，其对应的直流母线采样电流分别为i2和i6，则转子位置或d轴比较接近直流母线采样电流较大的电压矢量。例如，如果电流i1大于i2和i6，则转子d轴位于图4b阴影部分区域。

    (3)如果电流i2大于i6，则可断定转子d轴位于图4c阴影部分区域，反之，则转子d轴位于图4d

阴影部分区域。

    在第二阶段中，为了精确地估计转子位置，采用第一阶段测量的电流，如果假定转子位置是在图4c所示的区域，则使用的测量电流为i1、i2和i6，这些电流在0^o～30^o转子位置的仿真结果如图5所示。结果表明，随着转子位置的增加，i1和i6减少，而i2增加，电流差i1-i2、i2-i6和i1-i6对转子位置的仿真结果如图6所示。假定i1-i2、i2-i6和i1-i6的线性近似值如图7所示，则转子位置θ的估计值为：

用式(1)可更精确地估计转子位置．

    转子位置θ估计值的仿真结果和估计误差eθ分别如图8和图9所示。图9表明用式(1)可将****估计误差减小到6^o，程序流程图如图l0所示。

3起动方法

    无刷直流电动机在静止和起动时的电磁转矩可表示为：