无传感器控制基础知识和要点

geren2014

功率平台—电机系统模型
为解释和模拟反电动势传感技术的概念，本文档提供了基于基本电路拓扑的简化数学模型（请参见图 2-3）。3 相 BLDC 电机的电压通常由 IGBT 或 MOSFET 开关设计组成的 3 相功率平台提供。3 相功率平台由 DSC 片上 PWM 模块控制，它可创建所需的开关控制模式。此模型的作用在于了解开关管的导通和关断是如何影响电机特性的。开关角是实际开关事件与理想事件（此时，相位间的反电动势过零）之间的角度差。电机驱动模型由一个3相功率平台和一个无刷直流电机组成。系统由电压源 (Ud) 供电。六个半导体开关 (SA/B/C t/b) 施加矩形电压波形 （请参见图 ）。半导体开关和二极管则模拟为理想器件。电机中性点电压为直流母线电压的一半。这可简化数学表达式。


反电动势过零检测
为了实现最有效的 BLDC 电机控制，导通相和非导通相要配合一致。这根据反电动势电压检测过零点进行换相实现。图 2-4 所示为正确换相的电机相绕组电压波形。从图中可得到正确的换相点应在两个过零点中间。因此，反电动势过零信号可以用作估计正确换相时间点的计算依据。

相位信号为反电动势电压。它们为图 2-5 中的 UiX 电压。反电动势检测技术基于任一时刻只有两相通电这一情况 （请参见图 2-5）。第三个非导通相用于感测反电动势电压。不过也有一个问题，就是标准的 BLDC 电机仅有三个相位连接器且电机中性点无法引出。因此，如要获取过零时间点，需要将相电压与 uDCB/2 关联，如下节所述。我们假定相位 A 和 B 通电，相位 C 未通电。无电流通过此相位。


BLDC 驱动状态
为了启动并运行 BLDC 电机，控制算法必须经由以下状态：
• 对齐 ( 初始位置设置 )
• 启动 （强制换相）
• 运行 ( 无传感器运行，提供反电动势 AD 采样和过零检测 )

对齐
如前文所述，BLDC 电机无传感器控制的主要任务就是位置估计。但在启动电机之前，初始位置为未知。对齐的主要目的就是让转子对齐到已知位置。必须在这个已知位置才能以正确的方向启动旋转，并在启动过程中产生最大扭矩。在对齐过程中，所有三个相位均需通电。相位 A 连接至母线电压的正端，相位 B 和 C 连接至母线电压的负端。无论旋转方向如何，所产生的转子位置均会提供相同的启动条件 （请参见图 2-6）。对齐时间取决于电机的机械常量，包括负载。时间必须确保在对齐过程结束时转子处于稳态。


启动
当转子运动时，可使用反电动势技术。启动流程可确保在转子初始运动之后进行反电动势估计。启动流程在对齐流程完成之后立即启动。应用于电机的第一个磁通向量与对齐磁通向量正交。驱动过程中，磁通向量所作用的时间为恒值。接着应用后五个磁通向量，以产生旋转磁场。用周期定时表来决定启动时间。必须根据负载惯性整定初始周期。启动整定是反电动势无传感器技术中最困难的任务。整定难度取决于负载类型。对于无源负载，如果初始负载扭矩为 0 Nm 并随电机速度增长，则非常简单。更为复杂的情况是：启动扭矩为非零或者一次旋转中存在可变扭矩，例如压缩机。如果负载惯性可变，则可以更改启动磁通向量数。如果为可变负载惯性，则磁通向量数小于 6 产生的启动最稳健，但是，如果启动时的磁通向量数小于 3，则产生的启动不可靠。在其他情况下， 6 个启动磁通向量 （一个电周期）似乎最佳。执行完最后一个磁通向量后，可使能反电动势电压检测，电机进入运行 （无传感器）模式。

运行
运行无传感器模式将反电动势采集和过零检测结合，以进行换相控制。在此模式下，换相时间根据过零反馈信号计算，如 2.2.2 “反电动势过零检测”所述。