永磁無刷直流電機(jī)低速及零速轉(zhuǎn)子位置觀測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種永磁無刷直流電機(jī)低速及零速轉(zhuǎn)子位置觀測系統(tǒng)，基于主要由交流電壓、整流電路、濾波電容、三相逆變器、永磁無刷直流電機(jī)組成的永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)，包括高頻電流注入電路以及三相繞組相電壓采集電路，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，以提取三相繞組相電壓中高頻分量，帶通濾波器依次連接乘法器、低通濾波器、加法器、坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)等，以獲得轉(zhuǎn)子位置角觀測誤差相關(guān)變量，坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)再依次連接PI控制器、積分器，積分器穩(wěn)態(tài)時輸出即為轉(zhuǎn)子位置角觀測值。該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、可靠地觀測出永磁無刷直流電機(jī)在兩相導(dǎo)通模式下低速及零速運行時的轉(zhuǎn)子位置，應(yīng)用范圍廣，實現(xiàn)成本低。
【專利說明】永磁無刷直流電機(jī)低速及零速轉(zhuǎn)子位置觀測系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種兩相導(dǎo)通模式下永磁無刷 直流電機(jī)低速及零速轉(zhuǎn)子位置觀測系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 永磁無刷直流電機(jī)（BLDCM)由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、出力大和效率高等特點，已在國 防、航空航天、機(jī)器人、工業(yè)過程控制、精密機(jī)床、汽車電子、家用電器和辦公自動化等領(lǐng)域 中得到了較好的應(yīng)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(huán)PWM控制和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC)。
[0003] 與傳統(tǒng)的正弦波永磁同步電機(jī)相比較，永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子反電動勢理論上設(shè) 計為方波，這樣在繞組中流過方波電流，調(diào)節(jié)方波電流的幅值即可控制電磁轉(zhuǎn)矩，任何瞬時 只有兩相定子繞組串聯(lián)實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，而第三相定子繞組懸空沒有電流，這種繞組導(dǎo) 通方式稱為兩相導(dǎo)通模式。
[0004] 為了實現(xiàn)繞組可靠換流，絕大多數(shù)永磁無刷直流電機(jī)內(nèi)置了霍爾傳感器，輸出三 路開關(guān)信號，據(jù)此實現(xiàn)繞組電流的換流。但從系統(tǒng)可靠運行及降低系統(tǒng)成本角度，希望實現(xiàn) 無位置傳感器運行。對于電流閉環(huán)PWM系統(tǒng)，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(zhuǎn)速只 有l(wèi)OOr/min左右，這樣一種運行最低轉(zhuǎn)速的瓶頸會帶來兩個主要不利影響：1)電機(jī)由零轉(zhuǎn) 速閉環(huán)負(fù)載啟動困難，甚至出現(xiàn)啟動失敗。這是由于極低轉(zhuǎn)速區(qū)域，轉(zhuǎn)子位置觀測值極不準(zhǔn) 確，致使繞組電流換流及電磁轉(zhuǎn)矩控制不正確。為此，只能采用其他輔助方法進(jìn)行啟動電 機(jī)，例如：三段式啟動法、預(yù)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(jī)啟動時負(fù)載能力，同時也制約了驅(qū)動系統(tǒng)極低轉(zhuǎn)速運行。 2)無位置傳感器運行有效調(diào)速范圍較窄。雖然高頻信號注入方法理論上可以實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速運 行，但現(xiàn)有的文獻(xiàn)研究的高頻信號注入法要求電機(jī)處于三相導(dǎo)通模型，研究成果無法應(yīng)用 于兩相導(dǎo)通模式。若在永磁無刷直流電機(jī)上采用三相導(dǎo)通模式，則從根本上磨滅了該種電 機(jī)設(shè)計的初始出發(fā)點。
[0005] 雖然電流閉環(huán)PWM系統(tǒng)無位置傳感器技術(shù)研究的較多，但對于直接轉(zhuǎn)矩控制無刷 直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的無位置傳感器技術(shù)的研究還很少，現(xiàn)有的技術(shù)均是基于可測量的電 壓、電流量，借助電機(jī)的基波數(shù)學(xué)模型構(gòu)建觀測器法。從公開文獻(xiàn)的實驗結(jié)果可見，能夠穩(wěn) 定運行的最低轉(zhuǎn)速約為60r/min (對應(yīng)電頻率為5Hz)。
[0006] 縱觀目前的兩相導(dǎo)通模式的永磁無刷直流電機(jī)無位置傳感器技術(shù)研究現(xiàn)狀，電機(jī) 處于中、高轉(zhuǎn)速區(qū)的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但低速及零轉(zhuǎn)速無位置傳感器技術(shù)研究還是一個 空白，而且也是一個難點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種永磁無刷直流電機(jī)低速及零速轉(zhuǎn)子位置觀測系統(tǒng)，該 系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、可靠地觀測出永磁無刷直流電機(jī)在兩相導(dǎo)通模式下低速及零速運行時的轉(zhuǎn) 子位置，應(yīng)用范圍廣，實現(xiàn)成本低。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種永磁無刷直流電機(jī)低速及零速轉(zhuǎn)子 位置觀測系統(tǒng)，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(jī)組成 的永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)，包括用于在導(dǎo)通的兩相串聯(lián)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(dǎo)通相繞組在內(nèi)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(biāo)變換環(huán)節(jié)等，以獲得轉(zhuǎn)子位置角觀 測誤差相關(guān)變量，所述坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)再依次連接PI控制器、積分器，積分器穩(wěn)態(tài)時輸出即 為轉(zhuǎn)子位置角觀測值。
[0009] 進(jìn)一步的，所述三相繞組相電壓采集電路分三路分別與中心頻率為ω的第 一帶通濾波器、第二帶通濾波器、第三帶通濾波器的輸入端相連接；所述第一帶通濾波 器、第二帶通濾波器、第三帶通濾波器的輸出端分別與第一乘法器、第二乘法器、第三 乘法器的輸入端相連接，所述第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器的另一輸入端同時 輸入一高頻余弦信號cos?i，所述第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器的輸出端分別 與第一低通濾波器、第二低通濾波器、第三低通濾波器的輸入端相連接；將直流量〇、

【權(quán)利要求】
1. 一種永磁無刷直流電機(jī)低速及零速轉(zhuǎn)子位置觀測系統(tǒng)，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(jī)組成的永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征 在于，包括用于在導(dǎo)通的兩相串聯(lián)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(dǎo)通相繞組在內(nèi)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(biāo)變換環(huán)節(jié)等，以獲得轉(zhuǎn)子位置角觀測誤差相關(guān)變量，所述坐標(biāo)變 換環(huán)節(jié)再依次連接PI控制器、積分器，積分器穩(wěn)態(tài)時輸出即為轉(zhuǎn)子位置角觀測值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁無刷直流電機(jī)低速及零速轉(zhuǎn)子位置觀測系統(tǒng)，其 特征在于，所述三相繞組相電壓采集電路分三路分別與中心頻率為《的第一帶通濾 波器、第二帶通濾波器、第三帶通濾波器的輸入端相連接；所述第一帶通濾波器、第 二帶通濾波器、第三帶通濾波器的輸出端分別與第一乘法器、第二乘法器、第三乘法 器的輸入端相連接，所述第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器的另一輸入端同時輸 入一高頻余弦信號cos?(，所述第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器的輸出端分別 與第一低通濾波器、第二低通濾波器、第三低通濾波器的輸入端相連接；將直流量0、
同時接至三個三位開關(guān)&、&、&并依次錯開一個
及所述三位開關(guān)4、&、5；的固定連接端對應(yīng)接至第一加法器、第二加法器、第三加法器，所 述第一加法器、第二加法器、第三加法器的輸出端同時接至3/2坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)；所述3/2坐 標(biāo)變換環(huán)節(jié)的輸出端以及一旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系夾角+6^同時接至坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)，所述 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)依次連接PI控制器、積分器，積分器穩(wěn)態(tài)時輸出即為轉(zhuǎn)子位置角觀測值
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的永磁無刷直流電機(jī)低速及零速轉(zhuǎn)子位置觀測系統(tǒng)，其特征在 于，將所述轉(zhuǎn)子位置角觀測值< 以及數(shù)值"2"同時輸入一乘法器，將AB相導(dǎo)通、BC相導(dǎo)通 或CA相導(dǎo)通時旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系角度修正值〃#的不同取值同時輸入三位開關(guān)&，所述乘法器的 輸出端、所述三位開關(guān)&的固定連接端同時接至一加法器，所述加法器計算并輸出所述旋 轉(zhuǎn)坐標(biāo)系夾角2夂-式.3。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁無刷直流電機(jī)低速及零速轉(zhuǎn)子位置觀測系統(tǒng)，其特征 在于，所述高頻電流注入電路包括用于產(chǎn)生高頻正交基準(zhǔn)信號sin?" cos?(的高頻信號 發(fā)生器以及三相繞組電流采集電路，所述三相繞組電流采集電路分三路分別與中心頻率為 ?的第四帶通濾波器、第五帶通濾波器、第六帶通濾波器的輸入端相連接；所述第四帶通 濾波器、第五帶通濾波器、第六帶通濾波器的輸出端接至三位開關(guān)&，所述三位開關(guān)乂的固 定連接端接至比較器，所述比較器的另一輸入端同時輸入在繞組中注入的高頻電流給定值 i/=4 ? sin^，所述比較器的輸出端接至高頻電流控制器，所述高頻電流控制器的輸出端 接至定子繞組電壓PWM環(huán)節(jié)，所述定子繞組電壓PWM環(huán)節(jié)的另一輸入端同時輸入導(dǎo)通串聯(lián) 繞組線電壓基波電壓給定值《/，所述定子繞組電壓PWM環(huán)節(jié)的輸出端接至功率開關(guān)驅(qū)動單 元，以通過功率開關(guān)驅(qū)動控制三相逆變器，實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，同時在導(dǎo)通的兩相串聯(lián) 繞組中注入高頻電流厶? sin? "
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的永磁無刷直流電機(jī)低速及零速轉(zhuǎn)子位置觀測系統(tǒng)，其特征在 于，所述三相繞組電流采集電路分三路還分別與中心頻率為《的第一帶阻濾波器、第二帶 阻濾波器、第三帶阻濾波器的輸入端相連接；所述第一帶阻濾波器、第二帶阻濾波器、第三 帶阻濾波器的輸出端同時接至電流PWM閉環(huán)控制或直接轉(zhuǎn)矩控制算法環(huán)節(jié)，所述電流PWM 閉環(huán)控制或直接轉(zhuǎn)矩控制算法環(huán)節(jié)的另一輸入端同時輸入轉(zhuǎn)子位置角觀測值所述電流 PWM閉環(huán)控制或直接轉(zhuǎn)矩控制算法環(huán)節(jié)計算并輸出所述導(dǎo)通串聯(lián)繞組線電壓基波電壓給定 值
6. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的永磁無刷直流電機(jī)低速及零速轉(zhuǎn)子位置觀測系 統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)按如下步驟觀測永磁無刷直流電機(jī)在兩相導(dǎo)通模式下低速及零速 運行時的轉(zhuǎn)子位置： (1) 在導(dǎo)通的兩相串聯(lián)繞組中注入頻率為w的高頻電流； (2) 對三相繞組相電壓士、辦、&進(jìn)行采樣，分別經(jīng)過中心頻率為《的帶通濾波器濾波， 輸出對應(yīng)的三個高頻電壓分量; (3 )分別將所述高頻電壓分量依次送給乘法器及低通濾波器，輸出經(jīng)過信號 解調(diào)后的三個直流分量? COSW 〇 ? COS? ? cos? 〇 ; (4) 將直流量〇、-0.5I,"63(r -M+)、-O.5J"0(Z-M)同時接至三個三位開關(guān)&、 &并依次錯開一個工位，以使三位開關(guān)&、&、5；的導(dǎo)通相在任一時刻輸出的直流量 為，OJJwc?(Z-M)、〇、-0.5J",ca(r-M)或-0.5J",cy(r-M)、-OJ/joCr -M) 、?或 0、-0 51^63(11 - A/)、- A/);將所述直流分量 LPF(jjAg ? cos (〇 t~)、 ? cos ? 〇、? cos ? 〇及分別由所述三位開關(guān)馬、心的導(dǎo)通相 輸出的直流量對應(yīng)送給三個加法器，進(jìn)一步解調(diào)出三個直流電壓分量?、&、化； Z ，0.5(' -、），M = -- 025(4 - [-)，'、^分別為相繞組電感 中d、q軸方向主電感峰值，分別為繞組自電感中漏感和繞組之間的互漏感； (5) 將所述直流電壓分量&送給3/2坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)，輸出；a軸直流電壓 A軸直流電壓; (6) 將?以及根據(jù)反饋回來的轉(zhuǎn)子位置角觀測值< 計算獲得的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系夾角 ?2< +沒4送給坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)，輸出與轉(zhuǎn)子位置角觀測誤差相關(guān)的變量f/軸直流電壓 ;所述為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系角度修正值； (7) 將變量送給PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器穩(wěn)態(tài)時輸出轉(zhuǎn)子電角速度觀測值為； (8)將轉(zhuǎn)子電角速度觀測值#送至積分器，積分器穩(wěn)態(tài)時輸出轉(zhuǎn)子位置角觀測值4 :
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的永磁無刷直流電機(jī)低速及零速轉(zhuǎn)子位置觀測系統(tǒng)，其特征在 于，在步驟（1)中，采用閉環(huán)控制在導(dǎo)通的兩相串聯(lián)繞組中注入高頻電流，包括以下步驟： (1. 1)高頻信號發(fā)生器分別產(chǎn)生高頻正交基準(zhǔn)信號sin?(、c〇s?t ; (1. 2)根據(jù)高頻正弦信號sin? (及高頻電流幅值厶，計算出在繞組中注入的高頻電流 給定值 ? sin ? t ; (1.3)對三相繞組電流心、i5、ic進(jìn)行采樣，分別經(jīng)過中心頻率為《的帶通濾波器濾波， 輸出對應(yīng)的三個高頻電流分量ii、i&、; (1. 4)將所述高頻電流分量接至三位開關(guān)兄，根據(jù)三位開關(guān)兄的導(dǎo)通情況， 輸出三位開關(guān)兄的導(dǎo)通相對應(yīng)的高頻電流，即高頻電流反饋值& ; (1. 5)計算高頻電流給定值i/和高頻電流反饋值&的誤差，并將其送給高頻電流控制 器，輸出控制高頻電流的導(dǎo)通串聯(lián)繞組線電壓高頻電壓給定值 (1. 6)將導(dǎo)通串聯(lián)繞組線電壓高頻電壓給定值和導(dǎo)通串聯(lián)繞組線電壓基波電壓給 定值同時送給定子繞組電壓PWM環(huán)節(jié)，再經(jīng)過功率開關(guān)驅(qū)動控制三相逆變器，實現(xiàn)電機(jī) 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，同時在導(dǎo)通的兩相串聯(lián)繞組中注入高頻電流4 ? sin?匕
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的永磁無刷直流電機(jī)低速及零速轉(zhuǎn)子位置觀測系統(tǒng)，其特征 在于，所述三相繞組電流4、厶、4分別經(jīng)過中心頻率為《的帶阻濾波器濾波，輸出對應(yīng)的 三個基波電流分量、i#、;將基波電流分量、i#、及轉(zhuǎn)子位置角觀測值< 輸入電 流PWM閉環(huán)控制或直接轉(zhuǎn)矩控制算法環(huán)節(jié)，計算得到導(dǎo)通串聯(lián)繞組線電壓基波電壓給定值 氺 Ut 〇
【文檔編號】H02P21/04GK104283482SQ201410595363
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】周揚忠, 陳旭東, 張登靈 申請人:福州大學(xué)