第４１卷 增刊２吉林大学学报（工学版） Ｖｏｌ．４１ Ｓｕｐ．２２０１１年９月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｓｅｐ ｔ．２０１１收稿日期：２０１１－０４－ １５．基金项目：“９７３”国家重点基础研究发展计划项目（２０１１ＣＢ７１１２００）． 作者简介：冯英本（１９８７－），男，硕士研究生．研究方向：电机控制．Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｅｎｇｙｉｎｇ ｂｅｎ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ通信作者：陈慧（１９６４－），男，教授，博士生导师．研究方向：汽车底盘电子控制技术．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕｉ－ｃｈｅｎ＠ｔｏｎｇｊ ｉ．ｅｄｕ．ｃｎ基于高频信号注入的ＥＰＳ用ＳＰＭＳＭ 无传感器控制 冯英本，陈 慧 （同济大学汽车学院，上海２０１８０４ ）摘 要：探讨了脉动高频信号注入法用于电动助力转向系统（ＥＰＳ）的面贴式永磁同步电机（ＳＰＭＳＭ） 转子位置观测的可行性；分析了注入的电流对于电机转矩波动造成的影响。仿真结果表明：这种方式既可以准确地观测电机转子的位置，且对电机的转矩波动影响较小。关键词：车辆工程；电动助力转向；脉动高频信号注入；面贴式永磁同步电机；凸极效应；转矩波动 中图分类号：Ｕ４６３．４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－５４９７（２０１１）Ｓｕｐ． ２－００６５－０５Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｄｒｉｖｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ ＰＭＳＭ ｆｏｒ ＥＰＳ ｂａｓｅｄｏｎ ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎＦＥＮＧ Ｙｉｎｇ －ｂｅｎ，ＣＨＥＮ Ｈｕｉ（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇ ｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｓｃｈｅｍｅ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌ ｏｎ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ ｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｃａｎ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｎｄ ｈａｖｅ ｌｉｔｔｌｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ（ＥＰＳ）；ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ；ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＳＰＭＳＭ）；ｓａｌｉｅｎｃｙ ｅｆｆｅｃｔｓ；ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ 电动助力转向系统（ ＥＰＳ）系统的核心部件助力电机大多采用高效率、大功率密度、控制性能和对环境鲁棒性良好的表面式永磁同步电机（Ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙ ｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ，ＳＰＭＳＭ）［１ ］，相应的位置观测传感器大多选用旋转变压器或者霍尔编码器。但旋转变压器成本高， 霍尔编码器的温度适应性差，且两种方案均有７至１２根信号及电源线与控制器相连，工作环境复杂，降低了系统的可靠性。从降低成本、提 高系统可靠性的角度考虑，无位置传感器的控制策略在ＥＰＳ中的应用很有价值。高频信号注入法作为无位置传感器控制策略的一种，由于其不受电机参数变化影响，可以实现电机零速及低速段的控制，受到越来越多人的关注。 高频信号注入法是利用交流电机的空间凸极 效应，通过在电机内部注入连续的高频信号来追踪电机的凸极位置，实现对电机转子位置的追踪，根据注入信号方式的不同可以分为旋转高频信号
BLDC无位置传感器控制技术 2014.11.12 duguqiubai1234@https://www.doczj.com/doc/e16296178.html, BLDC电机是一种结合了直流电机和交流电机优点的改进型电机。其转子采用永磁材料励磁，体积小、重量轻、结构简单、维护方便。BLDC电机又具有控制简便、高效节能等一系列优点，已广泛应用于仪表和家用电器等领域。 本文主要讨论高压BLDC风机无位置传感器起动和运行技术。 一、无位置传感器技术简介 BLDC电机最简单的控制方法是安装三个位置传感器，使用六步换相法控制。但传感器器会增大电机的体积和成本，另外传感器的位置精度影响电机的运行；特别对于极对数较多的电机，传感器偏差少许机械角度也可能引起电角度偏差很多。在某些恶劣环境下,如高温、潮湿、腐蚀性气体等环境，传感器易损坏，因而无法使用。 使用无位置传感器方式则可以克服上述缺点。 无传感器BLDC在性能上也存在一些不足: （1）难以实现重负载（例如额定转矩）起动。好在风机属于轻负载起动的情况。 （2）难以快速起动。例如很难实现1秒内从静止加速到全速。好在风机通常不要求很短时间内完成加速。 （3）无法实现全速范围内任意调速。有传感器BLDC能够实现0%～100%额定转速范围内的调速，而无传感器BLDC通常只能实现10%～100%额定转速范围内的调速。好在风机通常不要求10%额定转速以下运行。 经过以上分析，可以看出风机非常适合使用无位置传感器方式控制。 国内高压无位置传感器BLDC技术仍处于不成熟阶段。使用该技术的产品应以稳定可靠为主要要求，而不是以性能优越为主要要求。高压无传感器BLDC如果追求性能优越，则成本太高，技术难度过大。 风机类产品通常起动后连续工作时间较长，所以通常不要求快速起动，不也要求反复起停。
２００８３７０２机电工程技术!""#年第$%卷第"!期高频信号注入法进行永磁同步电机转子位置 检测的信号采集系统 陈立权，齐 昕，王长松，王辉（１．上海交通大学机械与动力工程学院，上海２００２４０；２．日照职业技术学院机电工程学院，山东日照２７６８２６）收稿日期：２００７－０９－２１摘要：本设计实现了高频信号注入法进行转子位置检测的信号采集系统。用Ｆ２８１２在产生ＰＷＭ波同时产生注入电机的高频脉动信号。采用Ｍａｘ２７４的带通滤波器和用ＯＰＡ２１３２设计的低通滤波器进行滤波，然后通过ＡＤＳ８３６４进行模数转换来采集信号，以中断的方式传送到Ｆ２８１２。实践表明，该系统满足实际数据采集的要求。 关键词：ＡＤＳ８３６４；Ｍａｘ２７４；有源滤波；ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２；高频信号注入；信号采集 中图分类号：ＴＰ２７４文献标识码：Ａ文章编号：１００９－９４９２（２００８）０２－００５５－０３ １引言 永磁同步电机（Ｐｅｒｍｅｎｅｎｔ－ＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ） 以其高效率、结构紧凑、易维护和调速性能好等一系列 优点得到越来越广泛的应用。但传统的永磁同步电机需 要位置传感器来实现电机的换相，如霍尔器件、光学编 码器和旋转变压器等，这些传感器会增加电机转子轴上 的转动惯量，加大电机空间尺寸和体积，有的分辨率低 或运行特性不好，有的对环境条件很敏感，潮湿和温度 变化都会使性能下降，使得整个传动系统的可靠性难以 得到保证。因此，无位置传感器控制成为一个重要研究 课题。目前应用比较广泛的无传感器转子位置检测方法 是反电势法（ＢａｃｋＥｌｅｃｔｒｏＭｏｔｉｖｅＦｏｒｃｅ，简称为ＢＥＭＦ）。 但是反电势法也存在固有的局限性，首先这种方法需要 利用基波电压和电流信号来计算转子的位置和速度，因 此对电机参数变化很敏感，鲁棒性差，其次在零速或者 低速检测时会因反电势过小或根本无法检测而失败，所 以只适用于高转速运行。为了在低速和零速下获得转子 位置的精确信息，一些学者提出了转子凸极追踪法，这 种方法要求电机具有一定程度的凸极性，而且需要注入 持续高频激励。转子凸极追踪法的基本原理是：在电机 定子绕组上注入高频电流或电压信号，然后检测定子绕 组中对应的电压或电流信号，再通过一系列的坐标变换 来提取转子的位置信息［１］。高频信号注入分为旋转高频信号注入和脉动高频信号注入，对于永磁同步电机来说， 脉动高频信号注入法原理清晰，结构简单，鲁棒性能好， 因此本文采用脉动高频信号 ［２］。 ２系统要求及设计高频信号注入频率一般为０．５ｋ～５ｋＨｚ远高于电机基波频率，所产生的附加转矩是一个高频扰动转矩，对转速不产生影响，在本系统中需要采样的定子绕组中的电流信号为小于１００Ｈｚ和１ｋＨｚ两种信号，并且需要过滤掉注入高频信号以及其他一些噪声。系统结构如图１所示。Ｔｉ公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２与其他ＤＳＰ相比，其突出的特点是有两个事件管理器和模数转换模块，事件管理器是数字电机控制应用使用的非常重要的外设，能够实现电机设备控制的多种必要的功能［３］。每个事件管理器模块包括：定时器、比较器、捕捉单元、ＰＷＭ逻辑电路、正交编码脉冲电路以及中断逻辑电路等。ＡＤＣ模块将外部的模 拟信号转换成数字量，且可以将一个控制信号进行滤波或图１系统结构图研究与开发
摘要:介绍了一种基于电机空间凸极追踪转子位置无传感器自检测方法。该方法采用高频电压载波注入法，采用外差法转子位置跟踪观测器完成了转子位置信息提取,实现无机械位置传感器电机转子位置检测。并仿真证明了这种方法可行性。 自20世纪80年代以来，现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术等支撑技术快速发展，交流伺服控制技术发展以极大迈进，使先前困扰着交流伺服系统电机控制复杂、调速性能差等问题取了突破性发展，交流伺服系统性能日渐提高，价格趋于合理，使交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是高精度、高性能要求伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统一个发展趋势。满足高性能系统技术要求.以永磁同步电机电力传动系统为例,实现高精度、高动态性能速度和位置控制,一般应采用磁场定向矢量控制或直接转矩控制.采取哪种控制方案,都需要测量转子速度和位置,一般是机械式传感器(编码器、解算器和测速发电机)来实现.,这类传感器有安装、电缆连接、故障等问题,并影响系统可靠性和限制系统使用范围,不符合集成应用系统要求。 解决机械传感器给调速系统带来各种缺陷,许多学者开展了无机械传感器交流调速系统研究.无机械传感器交流调速系统是指利用电机绕组中有关电信号,适当方法估计出转子位置和转速,实现转子位置自检测.曾有很多文章提出了各种转子位置和速度检测方法,其中大多数都是检测基波反电势来获转子位置信息.这种基于基波激励方法实施简单,但零速或低速时因反电势过小而根本无法检测,只适用于高转速运行.另外,这些方法要利用基波电压和电流信号计算转子位置和速度,它们对电机参数变化很敏感,鲁棒性差。 包括零速内任何速度下都能够获精确转子位置信息,一些文献提出了一种新转子位置自检测方法,即转子凸极追踪法.这种方法要求电机具有一定程度凸极性,需要有持续高频激励,可以实现电机全速度范围内转子位置检测.这种方法追踪是电机转子空间凸极效应,对电机参数变化不敏感,鲁棒性好.可以看出,这种转子位置无传感器自检测方法学术思想新颖,其研究具有重要理论意义和工程实用价值。 本文基于转子凸极追踪思想,介绍了采用高频电压载波注入法对内插式永磁IPM同步电机转子凸极位置实现跟踪原理,详细讨论了SPWM电压励磁条件下转子自检测方法实现技术,利用Mat-lab建立了凸极效应自检测过程仿真模型,给出了高、低速运行下转子位置自检测结果。 1 基于电机空间凸极追踪转子位置检测原理 面贴式外,一般永磁同步电机均会呈现出一定凸极性,为注入高频载波信号来跟踪转子凸极提供可能. 高频载波信号注入法可分为电流注入法和电压注入法,其中电压注入法实现较为简单.设注入三相平衡电压用一个以载波信号频率旋转载波电压矢量来表示 此主题相关图片如下： 式中：为静止d-q坐标系中注入高频载波电压，为载波电压矢量幅值。 SPWM电压源型逆变器供电拖动系统中，可以逆变器将高频载波信号直接加电机基波励磁上，如图1所示。此时，电机端电压为 此主题相关图片如下：
基于中颖SH79F168单片机的航模无刷电调方案 摘要：本文提出了一种采用中颖8位单片机SH79F168作为主控芯片的航模无刷电调方案，用AD采样的方法进行反电动势检测以控制无位置传感器的无刷直流电机。该芯片内部集成了PWM、ADC、增强外部中断等有针对性的功能模块，使软硬件设计都大为简化。经实际项目应用，该系统运行稳定可靠，且与市面上的其它控制方案相比具有成本优势。 关键词：航模 无刷电调SH79F168 无位置传感器BLDC 反电动势法 1 概述 无位置传感器的无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor, BLDCM）由于其快速、可靠性高、体积小、重量轻等特点，在航模领域得到了广泛的应用。但是与有刷电机和有位置传感器的无刷直流电机相比，其控制算法要复杂得多。加上航模设计中对重量和体积的要求非常严格，因此要求硬件电路尽可能简单，更增加了软件的难度。 本文提出了一种基于中颖8位单片机SH79F168的控制方案，借助于该芯片片内集成的针对电机控制的功能模块，只需很少的外围电路即可搭建控制系统，实现基于反电动势法的无位置传感器BLDC控制，在保证稳定性和可靠性的基础上大大降低了系统成本。而且该芯片与传统8051完全兼容，易于上手，从而也降低了研发成本。 2 系统硬件设计 本方案选用中颖的8位单片机 SH79F168做为主控芯片。该芯片采用优化的单机器周期8051核，内置16K FLASH存储器，兼容传统8051所有硬件资源，采用JTAG仿真方式，内置16.6M 振荡器，同时扩展了如下功能： 双DPTR指针. 16位 x 8乘法器和16位/8除法器. 3通道12位带死区控制PWM,6路输出,输出极性可设为中心或边沿对齐 模式；同时集成故障检测功能,可瞬时 关闭PWM输出； 7通道10位ADC模块； 内置放大器和比较器,可用作电流放大采样和过流保护； 增强的外部中断，提供4种触发方式； 提供硬件抗干扰措施； Flash自编程功能,方便存储参数； 主系统硬件架构如图1所示，从图中可以看出该系统大部分功能都由片内集成的模块完成。外围电路的简化一方面可以提高系统可靠性，另一方面也降低了成本。
2017年7月电工技术学报Vol.32 No. 13 第32卷第13期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2017 DOI: 10.19595/https://www.doczj.com/doc/e16296178.html,ki.1000-6753.tces.L70030 基于无滤波器方波信号注入的 永磁同步电机初始位置检测方法 张国强王高林徐殿国 （哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨 150001） 摘要针对无位置传感器内置式永磁同步电机（IPMSM）初始位置检测中，传统的基于凸极跟踪的短脉冲电压注入法难以确定脉冲宽度和幅值、实现困难、二次谐波分量法信噪比低的缺点，提出一种基于无滤波器方波信号注入的IPMSM初始位置检测方法。首先通过向观测的转子d轴注入高频方波电压信号，采用无滤波器载波信号分离方法解耦位置误差信息，通过位置跟踪器获取磁极位置初定值；然后基于磁饱和效应，通过施加方向相反的d轴电流偏置给定，比较d轴高频电流响应幅值大小实现磁极极性辨识；最后，通过2.2kW IPMSM矢量控制系统对提出的基于无滤波器方波信号注入的初始位置检测方法进行实验验证。结果表明，所提方法收敛速度较快，可在IPMSM转子静止或自由运行状态实现初始位置辨识和低速可靠运行，位置观测误差最大值为6.9°。 关键词：内置式永磁同步电机无位置传感器无滤波器方波注入初始位置检测 中图分类号：TM351 Filterless Square-Wave Injection Based Initial Position Detection for Permanent Magnet Synchronous Machines Zhang Guoqiang Wang Gaolin Xu Dianguo （School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China） Abstract With regard to the initial position detection for position sensorless interior permanent magnet synchronous machine (IPMSM) drives, existing saliency-tracking-based methods have difficulties to determine the amplitude and width of the pulses for the short pulses injection method, and also have low signal-noise ratio for the position-dependent secondary-harmonics-based method. Hence, this paper presents a filterless square-wave voltage injection based initial position detection scheme for position sensorless IPMSM drives. A high-frequency square-wave voltage vector is injected in the estimated d-axis, then the position error information is demodulated through filterless carrier signal separation, and the position tracking observer is adopted to obtain the initial position. Based on the magnetic saturation effect, the magnetic polarity can be identified by comparing the amplitudes of the induced d-axis high-frequency current with two given d-axis current offsets which are equal in value but opposite in direction. Experiments on a 2.2kW IPMSM sensorless vector controlled drive have been carried out to verify the proposed scheme. The experimental results show that the initial position detection for standstill and free-running rotor applications as well as the stable operation at 国家自然科学基金（51522701）和台达环境与教育基金会电力电子科教发展计划（DREK2015002）资助项目。 收稿日期 2016-07-14 改稿日期 2016-12-09
Performance Comparison of Permanent Magnet Synchronous Motors and Controlled Induction Motors in Washing Machine Applications using Sensorless Field Oriented Control Aengus Murray, Marco Palma and Ali Husain Energy Saving Products Division International Rectifier El Segundo, CA 90245 Abstract—This paper describes two alternative variable speed motor drive systems for washing machine applications. Three phase induction motors with tachometer feedback and direct drive permanent magnet synchronous motors with hall sensor feedback are two drive systems commonly used in North American washers today. Appliance manufacturers are now evaluating sensorless drive systems because of the low reliability and high cost of the speed and position feedback sensors. A Field Oriented Control Algorithm with an embedded rotor flux and position estimation algorithm enables sensorless control of both permanent magnet synchronous motors and induction motors. The estimator derives rotor shaft position and speed from rotor flux estimates obtained from measured stator currents and the applied voltages. Sampling of currents in the dc link shunt simplifies stator current measurement and minimizes cost. Field oriented control algorithm allows good dynamic control of torque and enables an extended speed range through field weakening. The digital control algorithm runs on a unique hardware engine that allows algorithms to be designed using graphical tools. A common hardware platform can run either the PMSM or IM using sensorless field oriented control in a front loading washer application. Test results are presented for both drives in standard wash cycles. Keywords-component; Advanced Control; Field Oriented Control Algorithm;, Appliance control architecture; I.I NTRODUCTION Accurate control of drum speed is required in both horizontal and vertical axis washer machines [1]. In front loading horizontal axis washers, the drum speed determines the washing action. There is a critical drum RPM, depending on the drum radius, above which the clothes stick to the inside edge of the drum. At this speed, the centrifugal force due to rotation balances the weight of the wet clothes. At speeds below this, the clothes will stick to the side of the drum until the component of the weight acting along the radius is greater than the centrifugal force. Once this angle is reached, the clothes fall back down into the base of the drum. The speed of the drum determines how vigorously the clothes are washed and allows a gentle wash cycle to be selected for delicate items. In the spin mode, the water is drained and the drum speed is increased well beyond the critical speed and the water forced out of the cloths by the centrifugal force. In traditional top loading vertical axis machines, the agitation action is produced mechanically using a gearbox and clutch. However, the introduction of speed control systems not only simplifies the mechanical system but also allows for wash cycle control. The control of the speed and angle of stroke allows the system designer to better manage the washing action and so develop wash cycles that use less water. European front-loading washers have used variable speed control for many years and typically use a universal ‘brush type’ motor. However, the American washer uses a larger drum size, which requires a motor with a power range beyond that of the universal motor solution. The front-loading drive solutions on the market today include direct drive permanent magnet synchronous motor drives or a belt drive using an induction motor. Appliance manufacturers are now evaluating these two drive types in top-loading machine to reduce cost and improve performance. However, both these drive systems use shaft feedbacks sensors. The direct drive PMSM typically uses a Hall Effect sensor for position feedback while the induction motor drive typically uses an analog or digital tachometer for speed feedback. The ideal universal drive can run either a PMSM or an induction motor without shaft feedback sensors. However, a single hardware platform can efficiently run either a PMSM or an induction motor using sensorless field oriented control algorithm. In both cases, speed and position estimates derive from motor terminal voltages and currents. Induction motors were initially preferred for washing machine drives because of the ease of running in high speed field weakening mode even with simple scalar control methods. However, the PMSM is now becoming a viable solution because field oriented control approach enables high speed field weakening. In an induction motor, the torque producing current flows in both the rotor and stator windings while the air gap field generation needs additional field current. Therefore, in washing mode, the total copper losses are more than double
无刷直流电机无位置传感器控制方法综述所谓的无位置传感器控制，正确的理解应该是无机械的位置传感器控制。在电机运转的过程中，作为逆变桥功率器件换向导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过这种信号不再由位置传感器来提供，而应该由新的位置信号检测措施来代替，即以提高电路和控制的复杂性来降低电机的复杂性。所以，目前永磁无刷直流电机无位置传感器控制研究的核心和关键就是架构一转子位置信号检测线路，从软硬件两个方面来间接获得可靠的转子位置信号，借以触发导通相应的功率器件，驱动电机运转。 1.反电势过零点法（端电压法）：基于反电动势过零点的转子位置检测方法是 在忽略永磁无刷直流电机电枢反应影响的前提下。通过检测断开相反电动势过零点。依次得到转子的六个关键位置信号。但是存在如下缺点：反电动势正比于转速，低速时不能通过检测端电压来获得换相信息故这种方法严重影响了电机的调速范围。使电机起动困难；续流二极管导通引起的电压脉冲可能覆盖反电动势信号。尤其是在高速、重载、或者绕组电气时间常数很大等情况下，续流二极管导通角度很大，可能使得反电动势法无法检测。 反电势过零检测法的改进策略：针对以上缺点,利用神经网络的非线性任意逼近特性, 提出一种基于神经元网络的电机相位补偿控制。首先由硬件电路获得有效的反电动势信息, 再利用BP 神经网络进行正确相位补偿, 实现无刷直流电机的无位置传感器控制, 获得了较好的效果[1]。还有一种采用人工神经元网络的永磁无刷直流电机反电势预测新方法, 采用神经元网络方法对永磁无刷直流电动机反电势波形准确预测的结果进一步用于电机动、静态特性的仿真或预测, 这将比假设电机反电势波形为理想正弦波或梯形波所进行的仿真更接近电机的实际运行结果。较之传统的路和场的计算方法, 达到了快速性和准确性的统一, 且由于神经元网络的自学习神经元网络成功训练后, 就可以用以预测所研究类型的永磁无刷直流电机的反电势波形[2]。 直接检测法，通过比较逆变器直流环中点电压和电机断开相绕组端电压的关
无位置传感器控制技术是无刷直流电机研究的热点之一，国内外相关研究已经取得阶段性成果。 在无刷直流电机工作过程中，各相绕组轮流交替导通，绕组表现为断续通电。在绕组不通电时，由于绕组线圈的蓄能释放，会产生感应电动势，该感应电动势的波形在绕组两端有可能被检测出来。利用感应电动势的一些特点，可有取代转子上的位置传感器功能，来得到需要的换相信息。由此，就出现了无位置传感器的无刷直流电动机。 尽管无位置传感器控制方式使得转子位置检测的精确度有所降低，但由于取消了位置传感器，电机的结构更加简单，安装更加方便，成本降低，可靠性进一步提高，在对体积和可靠性有要求的领域以及不适合安装位置传感器的场合，无位置传感器无刷直流电机应用广泛。 无位置传感器控制方式下的无刷直流电机具有可靠性高、抗干扰能力强等优点，同时在一定程度上克服了位置传感器安装不准确引起的换相转矩波动。 无位置传感器技术是从控制的硬件和软件两方面着手，以增加控制的复杂性换取电机结构复杂性的降低。 以采用120o电角度两两导通换相方式的三相桥式Y接无刷直流电机为例，讨论基于现代控制理论和智能算法的无刷直流电机无位置传感器控制方法。 转子位置间接检测法 目前无刷直流电机中主要采用电磁式、光电式、磁敏式等多种形式的位置传感器，但位置传感器的存在限制了无刷直流电机在某些特定场合的应用，主要体现在： 1、位置传感器可使电机系统的体积增大； 2、位置传感器使电机与控制系统之间导线增多，使系统易受外界干扰影响； 3、位置传感器在高温、高压和湿度较大等恶劣工况下运行时灵敏度变差，系统运行 可靠性降低 4、位置传感器对安装精度要求较高，机械安装偏差引起的换相不准确直接影响电机 的运行性能。 无位置传感器控制技术越来越受到重视，并得到了迅速发展。依据检测原理的不同，无刷直流电机无位置传感器控制方法主要包括反电势法、磁链法、电感法及人工智能法等。 反电势法 反电势法（感应电动势过零点检测法）目前是技术最成熟、应用最广泛的一种位置检测方法。该方法将检测获得的反电势过零点信号延迟30o电角度，得到6个离散的转子位 置信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，进而实现无刷直流电机的无位置传感器控制。 无刷直流电机反电势过零点与换相时刻的对应关系如图所示，图中e A、e B、e C为相位互差120o电角度的三相梯形波反电势，Q1~Q6为一个周期内的6个换相点，分别滞后相应反电势过零点30o电角度。
基于高频电压注入法的永磁同步电机转子初始位置检测 Initial Rotor Position Inspection of PMSM Based on Rotating High Frequency Voltage Signal Injection 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院蔡名飞周元钧 摘要:为了解决新型无位置传感器永磁同步电机的起动问题，提出了一种在电机静止状态下检测转子位置的新方法。 该方法在算法上改进了传统的旋转高频电压注入法，使得可以更为快速、准确的检测出转子初始(均扫位置。并且针对传统旋转高频电压注人法无法检测出转子永磁体极性问题，在dq旋转坐标系下，通过分析永磁同步卜匕机d轴磁链和定子电流之间的关系，利用d轴电流的泰勒级数展开，提出J’根据定子铁芯非线性磁化特性获得判另}J N/S极极性信息的新方一案。最后，建立了系统仿真模型。仿真结果验证了这种方法的有效性和可行性。此方法同样适用于永磁同步电机在中、低速时的转子位置检测。 关键词:永磁同步电机转子初始位置旋转高频注人非线性磁化特性N/S极极性 1引言 永磁同步电机高精态、高动态性能的速度、位置控制，都需要准确的转子位置信息。如果位置检测误差较大，会导致电机不能正常起动、运行。传统方法是通过机械式传感器来测量转子的速度和位置。但机械式传感器减低了系统的可靠性，增加了系统的成本;同时传感器对环境有着严格的要求，电磁干扰、温度、湿度、振动对它的测量精度都有影响。特别针对某些航空伺服电机，长期工作在恶劣、复杂的环境中，所以研究无位置传感器不仅可 以减少航空电机成本，而且可以减少不必要的引线，将大大提高整个系统的可靠性〔‘]。 最简单的无位置传感器控制方法是文献「2]提出的基于对检测到的电机反电动势进行积分，这种方法虽然简单，但是在零速或低速阶段因为反电动太小，难以检测而失败。后来人们又提出了高频注人法，其主要思想是用电机固有的空间凸极或凸极效应可以实现对转子位置的检测，这种方法与转速没有直接关系，有效克服了反电动势法的 缺陷。文献〔3]提出通过处理电流高频响应，采取求导取极值计算电机的初始位置，但这种方法存在震荡现象，高频电流也会因滤波器移相导致检测误差，并且也没有给出电 机N/S极极性检测方法。文献【4]提出在电机中注人幅值相同、方向不同的系列脉冲，检测并比较相应电流的大小来估计转子的位置。这种方法可行但是对注入脉冲的电压幅 值和时间控制要求比较高，操作复杂，检测时间过长。文献[[5][6]通过注人高频信号引起PMSM的d,q轴磁链饱和程度差异实现初始位置检测，这种方法高频电流信号提取复 杂，容易带来计算误差，难以做到转子位置的实时检测跟踪。文献〔7l所使用的电机经过特殊设计，不具普遍性，仅适用于理论研究。 为了解决以上方法的存在的问题，本文提出了一种基于旋转高频电压注人法的永磁同步电机转子初始位置检测的新方法。在电机静止状态下，通过向电机定子三相绕组中注入高频电压信号，利用电机凸极效应，通过处理高频电流响应，得出转子的位置信号。为此，本文进行了仿真研究，实现了转子d轴位置和N/S极极性的快速、准确检测。 2高频激励下的永磁同步电机的数学模型
无位置传感器直流无刷电机原理 位置传感器的直流无刷电机的换向主要靠位置传感器检测转子的位置，确 定功率开关器件的导通顺序来实现的，由于安装位置传感器增大了电机的体积， 同时安装位置传感器的位置精度要求比较高，带来组装的难度。 研究过程中发现，利用电子线路替代位置传感器检测电机在运行过程中产 生的反电动势来确定电机转子的位置，实现换向。从而出现了无位置传感器的 直流无刷电机，其原理框图如图3．1所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2-1无位置传感器无刷直流电机原理图 无位置传感器无刷直流电机(BLDCM)具有无换向火花、无无线电干扰、寿 命长、运行可靠、维护简便等特点，而且不必为一般无刷直流电机所必须的位 置传感器带来的对电机体积、成本、制造工艺的较高要求和抗干扰性差问题而 担忧，因此应用前景广阔。 由图2-1无刷直流电动机的运行原理图可知，当电机在运行
过程中，总有 一相绕组没有导通，此时可以在该相绕组的端口检测到该绕组产生反电动势， 该反电动势60度的电角度是连续的，由于电机的规格，制造工艺的差别，导致 相同电角度的反电动势值是不同，如要通过检测反电动势的数值来确定转子的 位置难度极大。因此必须找到该反电动势与转子位置的关系，才能确定转子的 位置。 由于BLDCM的气隙磁场、反电势、以及电流波型是非正弦的，因此采用 直交轴坐标变化不是很有效的分析方法。通常直接利用电机本身的相变量来建 立数学模型。假设三相绕组完全对称，磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，忽 略齿槽相应，则三相绕组的电压平衡方程则可以表示为：根据电压方程得电机的等效电路图，如图2．2所示：
2．3．2反电势法电机控制的原理 无刷直流电机中，受定子绕组产生的合成磁场的作用，转子沿着一定的方 向转动。电机定子上放有电枢绕组，因此，转子一旦旋转，就会在空间形成导 体切割磁力线的情况，根据电磁感应定律可知，导体切割磁力线会在导体中产 生感应电热。所以，在转子旋转的时候就会在定子绕组中产生感应电势，即运 动电势，一般称为反电动势或反电势哺1。· 对于稀土永磁无刷直流电机，其气隙磁场波形可以为方波，也可以是梯形 波或正弦波，与永磁体形状、电机磁路结构和磁钢充磁等有关，由此把无刷直 流电机分为方波电机和正弦波电机。对于径向充磁结构，稀土永磁体直接面对 均匀气隙，由于稀土永磁体的取向性好，所以可以方便的获得具有较好方波形 状的气隙磁场，对于方波气隙磁场的电机，当定子绕组采用集中整距绕组，即 每极每槽数q=l时，定子绕组中感应的电势为梯形波，如图加