無位置傳感器控制：BLDC無位置傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)問題剖析
作者：趙云老師（張飛實戰(zhàn)電子高級工程師）
01概述：
在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，位置傳感器（如霍爾傳感器等）雖然為轉(zhuǎn)子位置提供了最直接最有效的檢測方法，但是它們也使電機(jī)的體積變大，需要的信號引線增多，生產(chǎn)成本增加。在某些應(yīng)用場合（如高溫高壓），位置傳感器的不可靠性更帶來了系統(tǒng)運行失效的風(fēng)險。因此，人們致力于尋找無刷直流電機(jī)無位置傳感器的控制方法。本文將討論包括電機(jī)驅(qū)動方式、PWM 調(diào)制方式、轉(zhuǎn)子位置檢測方法等無位置傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)。
02電機(jī)驅(qū)動方式的選擇：
1、主功率電路驅(qū)動方式分析
無刷直流電機(jī)可以有多相結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)都可以用全橋或半橋電路來驅(qū)動，而全橋驅(qū)動又可分為星形和角形聯(lián)結(jié)以及不同的通電方式。不同的選擇會使電機(jī)及控制系統(tǒng)產(chǎn)生不同性能和成本。以應(yīng)用最廣泛的三相無刷直流電機(jī)為例，便有三相半橋驅(qū)動、三相星形全橋驅(qū)動、三相三角形全橋驅(qū)動等多種方式如下圖一所示：
(a)半橋驅(qū)動方式
(b)半橋驅(qū)動方式
圖一：無刷直流電機(jī)驅(qū)動方式示意圖
如上圖一(a)所示，三相半橋驅(qū)動電路的特點是簡單，但電機(jī)繞組的利用率很低，每個繞組只通電1/3周期的時間，另外2/3時間處于斷電狀態(tài)，繞組未能得到充分利用，其運行時轉(zhuǎn)矩波動較大；對于要求較高的場合，一般采用三相全橋電路，如上圖一(b)所示。
無論電機(jī)繞組采用何種聯(lián)結(jié)方式，三相全橋驅(qū)動電路都有兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種通電方式。兩兩通電方式是指每一瞬間有兩只開關(guān)管導(dǎo)通或調(diào)制，每隔60度電角度換相一次，每次換相改變一只開關(guān)管的狀態(tài)，每只開關(guān)管導(dǎo)通120度電角度；三三通電方式是指每一瞬間都有3只開關(guān)管同時導(dǎo)通或調(diào)制，每隔60度電角度換相一次，每個開關(guān)管通電180度電角度。但是在三三通電方式中，對開關(guān)管的關(guān)斷和導(dǎo)通順序有嚴(yán)格的規(guī)定，稍有不慎便會造成上下橋臂同時導(dǎo)通，使直流電源短路而燒毀。
綜上分析，本文采用三相星形全橋驅(qū)動電路，并采用兩兩導(dǎo)通的通電方式來探討無位置傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)。
2、六步換相法
無刷直流電機(jī)采用兩兩通電的三相星形全橋驅(qū)動方式后，每個電周期內(nèi)換相六次，也即是我們常說的六步換相法。根據(jù)通電繞組的不同，將一個電周期平均分成6步，稱為6個區(qū)間或6個狀態(tài)，換相發(fā)生在兩個相鄰狀態(tài)的切換瞬間，由開關(guān)管的切換完成。六步換相法的原理如下圖二所示。
(a)六步換相每個狀態(tài)對應(yīng)的電流方向
(b)定子繞組反電動勢波形及開關(guān)管導(dǎo)通順序
圖二：六步換相原理示意圖
圖二(a)顯示了六步換相中每一步的電流流過電機(jī)繞組的方向，圖二(b)顯示了每一步電機(jī)繞組的反電動勢波形及開關(guān)管的導(dǎo)通情況。各開關(guān)管的導(dǎo)通順序是V1V4、V1V6、V3V6、V3V2、V5V2、V5V4、V1V4……當(dāng)V1和V4導(dǎo)通時，電流從V1流入A相繞組，再從B相繞組流出，經(jīng)V4流回電源，在這個狀態(tài)中，C相繞組是不通電的，即處于懸空狀態(tài)。每一狀態(tài)上都有兩相繞組通電，另外一相繞組懸空，這是六步換相法的重要特征，我們該篇文章將要討論的無位置傳感器控制就是基于此實現(xiàn)的。
03PWM調(diào)制方式：
PWM控制是最常用的電機(jī)調(diào)速方式，尤其是近年來IGBT和MOSFET等電力電子器件的發(fā)展，PWM的調(diào)制頻率可達(dá)幾十甚至幾百kHz，為電機(jī)的寬轉(zhuǎn)速、快響應(yīng)靈活調(diào)速提供了條件。PWM控制主要是通過PWM波對橋式逆變橋功率管的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制達(dá)到對電流的控制和調(diào)節(jié)。根據(jù)PWM的作用時間和作用的開關(guān)管不同，可以將PWM調(diào)制分為五種模式。在每個開關(guān)管導(dǎo)通的120度電角度的時間內(nèi)，五種調(diào)制模式如下圖三所示。
圖三：120度導(dǎo)通方式下五種PWM調(diào)制方式
(1)H_PWM-L_PWM模式：逆變橋上下橋臂采用互補的PWM信號進(jìn)行調(diào)制；
(2)ON_PWM模式：在每個開關(guān)管的120度電角度導(dǎo)通空間中，前60度電角度保持恒通，后60度電角度進(jìn)行PWM調(diào)制；
(3)PWM_ON模式：在每個開關(guān)管的120度電角度導(dǎo)通空間中，前60度電角度進(jìn)行PWM調(diào)制，后60度電角度保持恒通；
(4)H_PWM-L_ON模式：在每個通電狀態(tài)中，處于逆變橋中上橋臂的開關(guān)管采用PWM調(diào)制，下橋臂的開關(guān)管保持恒通；
(5)H_ON-L_PWM模式：在每個通電狀態(tài)中，處于逆變橋中上橋臂的開關(guān)管保持恒通，下橋臂的開關(guān)管采用PWM調(diào)制。
在五種調(diào)制方式中，上下橋臂同時調(diào)制的方式，如H_PWM-L_PWM，稱為“全斬波”調(diào)制模式；其他四種調(diào)制方式，稱為“半斬波”調(diào)制模式?！叭珨夭ā蹦Ｊ降拈_關(guān)損耗和定子繞組的電流脈動均是其他“半斬波”模式的兩倍，而在“半斬波”的四種調(diào)制模式里，在上橋換相過程中，PWM_ON模式和H_PWM-L_ON下的轉(zhuǎn)矩脈動比ON_PWM模式和H_ON-L_PWM模式下的??；在下橋換相過程中，PWM_ON模式和H_ON-L_PWM下的轉(zhuǎn)矩脈動比ON_PWM模式和H_PWM-L_ON模式下的小。
考慮到控制的簡單性，我們本文選擇最常用的H_PWM-L_ON模式（也被稱為上橋斬波下橋恒通），也即在每個通電狀態(tài)中只對上橋臂進(jìn)行PWM調(diào)制，而下橋臂保持恒通。以狀態(tài)1為例，AB相導(dǎo)通，當(dāng)PWM高電平時，V1、V4導(dǎo)通，電源通過V1、V4，電流增加；當(dāng)PWM低電平時，V1關(guān)斷，V4導(dǎo)通，電流通過二極管續(xù)流。采用H_PWM-L_ON模式能有效的降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動，特別是在高速情況下。完整的PWM控制信號如下圖四所示。
圖四：PWM控制信號波形圖
04反電勢過零點檢測方法的實現(xiàn)：
對于反電動勢為梯形波的無刷直流電機(jī)，通過檢測懸空相電壓的過零點，即可得到懸空相反電動勢電壓的過零點。但是電機(jī)的引出線一般只有 A、B、C 三相繞組的引線，能夠直接檢測到的物理量只有端電壓和相電流，因此只有對這些物理量進(jìn)行處理和運算，才能獲得電機(jī)的反電動勢，檢測其過零點。
由于絕大部分電機(jī)的中性點并沒有引出，因此無法直接將定子端電壓與中性點電壓進(jìn)行比較來獲取過零點。針對這種情況，其中一種解決方法就是將端電壓與直流母線電壓的一半進(jìn)行比較，假定端電壓等于VDC/2 的時候發(fā)生反電動勢過零事件，如下圖五所示。這種電路容易實現(xiàn)，只需在繞組引出線上接上比較器即可，故一共需要三個比較器。但是這種方法檢測到的端電壓信號有正負(fù)相移，而且大多數(shù)情況下電機(jī)的額定電壓小于 VDC 電壓，因此反電動勢過零事件并非總發(fā)生在 VDC/2 處，故檢測不準(zhǔn)確。
圖五：端電壓與直流母線電壓的一半進(jìn)行比較示意圖
另一種方法是將三相定子端電壓通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成虛擬中性電壓，通過比較端電壓與虛擬中性點電壓來獲取反電動勢過零點，如下圖六所示。但是由于電機(jī)采用PWM 調(diào)速，定子端電壓上都會疊加高頻干擾，影響到反電動勢過零點的獲取。在許多情況下，都是采用電阻分壓并搭配RC低通濾波來實現(xiàn)的，但是這樣會導(dǎo)致反電動勢信號大幅度地衰減，并且會帶來過零點的相移問題，后期要進(jìn)行相位補償，增加了控制的復(fù)雜程度。
圖六：端電壓與虛擬中性點進(jìn)行比較
由上可見，這些方法都依賴于片外比較器，而且可能存在過零點的相移問題。我們這篇文章在六步換相法和反電動勢過零點檢測方法的基礎(chǔ)上，探討更具針對性而且實現(xiàn)更方便的過零點檢測方法。
由圖二(b)可以看出，在每個狀態(tài)中，懸空相的反電動勢正負(fù)號都會發(fā)生變化，故只要我們檢測到其反電動勢正負(fù)號跳變的瞬間，即可捕捉到其過零點。以狀態(tài)1為例，此時電流從A相繞組流入，由B 相繞組流出，C相懸空。此時的電機(jī)等效電路如下圖七所示：
圖七：狀態(tài)1電機(jī)等效電路
根據(jù)等效電路，A、B 相繞組形成電流回路，C相繞組無電流，可得：
式(1)
式中：va、vb、vc ---- A、B、C 三相端電壓；
R、L ---- 定子繞組等效電阻、電感；
i ---- 定子繞組電流；
ea、eb、ec ---- A、B、C 三相反電動勢；
un ---- 定子繞組中性點電壓。
反電勢是梯形波，在狀態(tài)1有ea + eb=0 ，將式(1)前兩式相加，得：
式(2)
對式(2)進(jìn)行整理，得：
式(3)
由式(1)的第三個式子可得C相反電勢表達(dá)式：
式(4)
由式(4)可見，C相反電勢的表達(dá)式各項均為三相端電壓，均可直接測量。要檢測 ec過零，只需檢測
的瞬間即可。由于在該狀態(tài)1內(nèi)，ec為下降沿穿越零點，故只需檢測ec從正到負(fù)的跳變即可。因此，當(dāng)三相端電壓的關(guān)系滿足
，即是
時，說明 ec出現(xiàn)了過零點。捕捉到過零點后，經(jīng)過30度電角度，就到達(dá)換相點，此時應(yīng)該將繞組切換至狀態(tài)2的通電狀態(tài)（正轉(zhuǎn)情況下），即應(yīng)該將V4關(guān)斷，保持V1導(dǎo)通，并將V6開通，進(jìn)入狀態(tài)2通電狀態(tài)。等到狀態(tài)2的過零條件滿足時，再延時30度電角度，則應(yīng)該把開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)切換成狀態(tài)3對應(yīng)的狀態(tài)……如此循環(huán)往復(fù)，便可實現(xiàn)電機(jī)的無傳感器運行。
對照狀態(tài)1，可以得出其他各狀態(tài)的反電動勢過零條件及換相說明，如下表一所示：
表一：各狀態(tài)反電動勢過零條件及換相說明
對照圖二和表一可以看出，要實現(xiàn)換相，只需要在檢測到反電勢的過零點再延時30度電角度后，把定子繞組的通電狀態(tài)切換為下一區(qū)間所對應(yīng)的狀態(tài)就可以了。而這種檢測方法僅僅依賴于端電壓，不需要中性點，也不需要片外比較器，而且運算過程簡單，只需要用單片機(jī)的 ADC 模塊對端電壓進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換后，就可以在內(nèi)部進(jìn)行過零事件的檢測，滿足條件時輸出1，否則輸出0。而由 PWM 調(diào)制引起的高頻噪聲對過零檢測的干擾，可以通過基于擇多函數(shù)的數(shù)字濾波器來消除。
本篇文章我們先講這么多，關(guān)于擇多函數(shù)數(shù)字濾波器的設(shè)計，將會在后面的文章中繼續(xù)給大家分享。
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無位置傳感器控制：無傳感器控制
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無傳感器控制
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。
將無(速度、位置) 傳感器控制分為兩大類 ,即基于交流電機(jī)基波模型的無傳感器控制和基于交流電機(jī)諧波模型的無傳感器控制方法。
中文名
無傳感器控制
外文名
sensorless control
目錄
1
簡介
2
分類
3
發(fā)展
4
分類
5
異步電動機(jī)的無傳感器控制
無傳感器控制簡介
編輯
語音
交流驅(qū)動系統(tǒng)的無位置傳感器控制與混合動力驅(qū)動系統(tǒng)密切相關(guān)。不僅是因為機(jī)械位置傳感器難于集成且很難封裝在車輛的傳動系內(nèi)，而且機(jī)械位置傳感器非常易碎，容易受到電磁干擾和信號失真的影響。所以應(yīng)盡量減少列位置傳感器的使用，或者采用恰當(dāng)?shù)能浖惴ㄒ詼?zhǔn)確跟蹤M/G的轉(zhuǎn)子位置，并以此來完全替代位置傳感器，這些都將是非常有益的。轉(zhuǎn)子位置傳感器的退化不僅是保持混合動力M/G系統(tǒng)平滑控制的問題所在，而且位置信號的損毀會對電流和電壓控制器產(chǎn)生干擾，從而導(dǎo)致電機(jī)勵磁不平衡，引起振動和噪聲。傳感器的間歇性故障更是危險，因為車輛在行駛過程中遇到坑洼或其他路面干擾時，這種影響可能會反復(fù)。研究者已經(jīng)解決了多種類型電機(jī)的無傳感器問題。在說明如何取消位置傳感器之前，首先應(yīng)明確不同類型的電機(jī)需要采用不同類型的轉(zhuǎn)子位置檢測裝置。同步電機(jī)(如永磁電機(jī))需要精確指出轉(zhuǎn)子磁體的位置，以保證電樞電流與轉(zhuǎn)子磁通正交。這需要采用絕對位置傳感器，在機(jī)械分辨率小于0．2度時可以求解軸角位置。電機(jī)的極數(shù)越多，對軸角位置的機(jī)械分辨率要求就越高。求解機(jī)械分辨率為0．176度的軸角位置需要采用11位編碼器或解碼器。另外一個復(fù)雜的情況是，求解軸角位置不僅需要11位字長的編碼器，而且當(dāng)M/G額定轉(zhuǎn)速達(dá)r/rain時，編碼器的比特率非常高。因此需要使用高帶寬解碼器，以確保有足夠的比特率能以快速的更新率向控制器提供更為準(zhǔn)確的軸角位置信息。與永磁電機(jī)相比，可變磁阻電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)對位置檢測的要求更為嚴(yán)格。許多ISG的混合動力結(jié)構(gòu)都使用VRM，這種設(shè)計?；?/4凸極模式，兩次、三次或多次重復(fù)使用電機(jī)凸極。為得到這類凸極電機(jī)的定時信號，分辨率應(yīng)高于0．1度。這類位置傳感器更可能是實驗室級的，(有時可能是精密儀器的質(zhì)量要求)而非車用環(huán)境所要求的堅固耐用的傳感器。
無傳感器控制分類
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Rajashekara等人全面總結(jié)了適用于五大主要類型電機(jī)的無位置傳感器技術(shù)。下表總結(jié)了交流電機(jī)常見的已研究的或正在研究的無傳感器方法。所有無位置傳感器技術(shù)都離不開對電機(jī)電流、電壓和環(huán)境溫度的精確測量。
無傳感器控制方法總結(jié)
無傳感器控制方法總結(jié)
異步電機(jī)無位置傳感器控制的一種常見形式是測量定子電流和電壓，然后使用這些測量數(shù)據(jù)以及電機(jī)的參數(shù)數(shù)據(jù)來計算轉(zhuǎn)差．從勵磁頻率中減去轉(zhuǎn)差頻率就可以得到轉(zhuǎn)子速度。這種方法是可行的，但遺憾的是它需要純凈的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓。但轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓容易含有直流偏量，會影響積分器的輸出。可以使用狀態(tài)觀測器來估算轉(zhuǎn)子磁通．但這樣會受到定子電流和轉(zhuǎn)子磁通跟蹤誤差的干擾。Yoo和Ha副提出了一種使用主估算器和附加估算器來構(gòu)建電機(jī)轉(zhuǎn)速估算器的方法。一些研究者試圖減少定子電流微分對估算轉(zhuǎn)子磁通和電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，而這一技術(shù)正受到這些研究人員的追捧。特別是Khalil等人，通過估算交流電流及其衍生電流，就能計算轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)速。該方案使用滑?？刂破鱽頊y取感應(yīng)電機(jī)的電壓參考信號：以高增益觀測器來實現(xiàn)對定子q軸電流的微分。該技術(shù)的功能框圖如下圖1所示。
圖1 功能
上圖所示的控制器不僅可以估算轉(zhuǎn)子速度，同時還能追蹤車輛高級別控制器發(fā)出的磁通和轉(zhuǎn)矩指令。轉(zhuǎn)換到同步參考坐標(biāo)系盼定子電流經(jīng)高增益觀測器進(jìn)行處理，這樣可以減小微分器的噪聲。
無傳感器控制發(fā)展
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永磁電機(jī)的無傳感器控制也非常適用于混合動力驅(qū)動系統(tǒng)，不僅是因為永磁電機(jī)可以作為主傳動系統(tǒng)的M/G，而且它還適用于其他輔助電力驅(qū)動裝置。通常使用軸裝編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或者安裝在轉(zhuǎn)子附近或氣隙中的霍爾效應(yīng)器件來感測轉(zhuǎn)子位置。同步電機(jī)控制的總體目標(biāo)是把電機(jī)本身作為傳感器進(jìn)行使用。Blaschke等人提出把轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶匡柡蛥^(qū)應(yīng)用到定子鐵心，這樣電機(jī)作為其自身位置傳感器的目標(biāo)就得以實現(xiàn)。當(dāng)電機(jī)處于飽和狀態(tài)時，電流傳輸方向(從靜止坐標(biāo)系到同步參考坐標(biāo)系)與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶肯嗥叫?，并且增益小于兩者正交的情況，所以通過非對稱性就能夠確定轉(zhuǎn)子的磁鏈方向。實際工作過程中，定子電流矢量與轉(zhuǎn)子磁通矢量并行脈動，不會影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩。同步磁阻電機(jī)的無位置傳感器控制與永磁電機(jī)相似。所有控制方法都取決于對電機(jī)電流和電壓的精準(zhǔn)測量，同時也應(yīng)適當(dāng)考慮溫度和電機(jī)參數(shù)變化造成的影響。從某些方面來講，由于開關(guān)磁阻電機(jī)相位之間不互相耦合，可以使用非導(dǎo)通相來監(jiān)測電感變化，所以在沒有位置傳感器時，開關(guān)磁阻電機(jī)的控制更為容易。其他無位置傳感器控制技術(shù)比比皆是。早在19世紀(jì)90年代早期．Wisconsin大學(xué)就提出采用外差技術(shù)對電機(jī)進(jìn)行信號注入和信號檢測。信號注入法已經(jīng)擴(kuò)展至異步電機(jī)，并且已有具體的應(yīng)用，通過引入特性修正，如對轉(zhuǎn)子開口槽進(jìn)行修正進(jìn)而引入轉(zhuǎn)子漏感的空間調(diào)制。信號注入和檢測技術(shù)見上圖，這種信號注入方法的精度R/D轉(zhuǎn)換器(軸角轉(zhuǎn)換器)相似，并且精度獨立于所引人的轉(zhuǎn)子凸極的實際角度。下圖通過逆變器和特性修正電機(jī)(修正轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電機(jī))或典型的同步電機(jī)(同步磁阻或內(nèi)置式永磁電機(jī))的共同作用對外差過程進(jìn)行了說明。wt為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，wc為注入信號頻率，外差過程把頻率分量轉(zhuǎn)換為±(2wt-wc)，其中載波頻率大約為400Hz，然而在開關(guān)頻率為2kHz的逆變器中，載波頻率能達(dá)到2kHz?；鶐盘柺撬俾士刂葡码姍C(jī)的頻率指令。低通濾波器(Low Pass Filtering，LPF)提取基帶頻率并用于對電流調(diào)節(jié)器(同步坐標(biāo))的反饋控制；帶通濾波器(Band Pass Filtering，BPF)則從總信號中提取當(dāng)前位置的調(diào)制載波信號以用于對觀測器的反饋控制。
無傳感器控制的信號注入和外差技術(shù)
大量的研究結(jié)果表明，可以使用遠(yuǎn)離被測電機(jī)的傳感器來采集電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信息，而且這些傳感器還可用于對其他信息的測量，例如安裝在電池終端的電流傳感器以用于交流發(fā)電機(jī)的同步整流控制。不論是從耐久性的角度還是從成本因素來考慮，都不允許在車輛交流發(fā)電機(jī)的上面或者內(nèi)部安裝電流傳感器。交流發(fā)電機(jī)的電流紋波是整流二極管的作用結(jié)果，它含有交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的相關(guān)位置信息，因此可以提取這些位置信息并用于有源整流器組件的控制開關(guān)。。由于其他系統(tǒng)，如能源和負(fù)載管理系統(tǒng)，需要對電池電流進(jìn)行檢測，所以這種方法能夠真正實現(xiàn)傳感器配置結(jié)構(gòu)的最小化。反電動勢觀測器用于監(jiān)測交流發(fā)電機(jī)的相電壓信息，通過采用觀察窗可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置的檢測。在觀察窗中，電池直流電流紋波與相電流相連接。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載的影響會使交流發(fā)電機(jī)的反電動勢頻率和幅值發(fā)生變化，因此需要使用一個非線性的漸近觀測器來估算交流發(fā)電機(jī)的相電動勢大小。這種方法可以在恒定偏移量內(nèi)跟蹤交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，并且具有追蹤±1000Hz/s速度變化的動態(tài)能力?；诖沛溂夹g(shù)的永磁電機(jī)無位置傳感器控制方法正日益普及。從技術(shù)的發(fā)展來看，永磁電機(jī)的無傳感器技術(shù)包括感測反電動勢，即直接感測120。傳導(dǎo)驅(qū)動惰性相的反電動勢，并通過對電流電壓積分求解磁鏈的方法，還包括監(jiān)測逆變器續(xù)流二極管導(dǎo)通時間的方法。最近Kim等人提出了一種與速度無關(guān)的磁鏈派生新方法。在該方法中，線速度的相關(guān)函數(shù)包含了電壓和電流的測量值，以及對派生電流的劃分值，得到的結(jié)果函數(shù)是與速度無關(guān)的轉(zhuǎn)子角度信息，能夠估算低速時的轉(zhuǎn)子位置。在實驗室環(huán)境中．通過此方法來控制四極無刷直流電機(jī)(轉(zhuǎn)速20r/min)。
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將無(速度、位置)傳感器控制分為兩大類 ,即基于交流電機(jī)基波模型的無傳感器控制和基于交流電機(jī)諧波模型的無傳感器控制方法。前者主要基于交流電機(jī)的理想模型 ,根據(jù)電機(jī)方程中轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速和電壓電流的關(guān)系估測轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置 ,反電動勢積分、模型參考自適應(yīng)( M RA S)以及各種觀測器的方法都屬于基波模型的方法;后者主要基于電機(jī)結(jié)構(gòu)的物理特性 ,通過轉(zhuǎn)子處于不同位置時對應(yīng)的電壓、電流的諧波信號獲得轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的信息 。兩類方法有各自的特點 ,基于基波模型的方法 ,直接采用電機(jī)動態(tài)運行中的電壓、電流信號估測轉(zhuǎn)速和位置。為了提高系統(tǒng)的參數(shù)魯棒性 ,采用模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)( M RA S)和觀測器等方法估測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置 ,另外人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識方法也應(yīng)用在基于基波模型的無傳感器控制中。
無傳感器控制異步電動機(jī)的無傳感器控制
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異步電動機(jī)的矢量控制方案需要速度傳感器或者位置傳感器。由于使用速度傳感器具有如增加成本、可靠性問題、抗干擾問題等缺陷，而且實時計算的成本也越來越低，通過運用狀態(tài)估算功能的軟件就可以估算速度和位置值。文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了很多用于定子電壓、相電流和頻率估算速度的方法。利用無速度傳感器得到異步電動機(jī)速度的方法，大體上可以分為兩類：·具有轉(zhuǎn)差補償?shù)拈_環(huán)速度控制；·具有速度估算的閉環(huán)控制。第一類方法中，通過控制電動機(jī)的同步速度，利用轉(zhuǎn)差頻率來補償負(fù)載變化；第二類方法中，用電動機(jī)的估算速度做閉環(huán)速度控制的反饋信號。用于異步電動機(jī)的無傳感器轉(zhuǎn)矩控制方法如下：(1)轉(zhuǎn)差頻率計算方法；(2)用狀態(tài)表達(dá)式估算速度的方法；(3)磁通估算方法；(4)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)；(5)觀測器(基于卡爾曼濾波器的觀測器，倫伯格觀測器)方法；(6)速度估算的人工智能方法。
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永磁同步電機(jī)無傳感器控制的新策略，提升轉(zhuǎn)子位置檢測精度
永磁同步電機(jī)的無傳感器控制在低速區(qū)域或零速常采用高頻信號注入法。旋轉(zhuǎn)高頻信號注入法辨識轉(zhuǎn)子位置，其準(zhǔn)確度易受到控制器采樣和計算延時、逆變器輸出或波形畸變引起的延時，以及信號解調(diào)過程中濾波器環(huán)節(jié)產(chǎn)生的延時等因素的影響。北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員郭磊、楊中平、林飛，在2...
2020-02-190
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參考資料
1.
（美）約翰M.米勒．混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)：機(jī)械工業(yè)出版社，2016
2.
高性能交流傳動系統(tǒng) 模型分析與控制
．超星發(fā)現(xiàn)[引用日期2017-12-16]
無位置傳感器控制：無位置傳感器的電機(jī)控制你知道嗎？看完這篇就懂了
原標(biāo)題：無位置傳感器的電機(jī)控制你知道嗎？看完這篇就懂了
一、前言
電機(jī)控制一般使用閉環(huán)控制，這就必須使用傳感器，如：霍爾傳感器、編碼盤等。
但是有的應(yīng)用場合下，難以安裝霍爾傳感器、編碼盤，或者就算是安裝好，也很容易損壞。
霍爾傳感器、編碼盤都屬于位置傳感器。那么，無位置傳感器，是否也能控制電機(jī)？
答案是可以的。
二、方案
VBUS測量電機(jī)的母線電壓，假設(shè)電機(jī)由直流50V供電，則測量直流50V；由交220V供電，則測量直流310V。
IBUS測量電機(jī)總電流，可用于防過流、電流環(huán)控制。
Demand是給定的轉(zhuǎn)速，用滑動電位器模擬轉(zhuǎn)速的輸入。
AN3、AN4、AN5引腳，用于測量電機(jī)的三相電壓。
這樣一來，沒有了位置傳感器，大大簡化了設(shè)備的安裝步驟。但是，會產(chǎn)生另外的一些問題。
電機(jī)如何啟動？如何換相？如何調(diào)速？
三、硬件
MOS管驅(qū)動使用L6388ED，其內(nèi)部邏輯可以防止高邊和低邊MOS管同時導(dǎo)通。有自舉電容讓高邊MOS導(dǎo)通。
在單片機(jī)初始化時，要給L6388ED的自舉電容充電一段時間，否則高邊MOS管可能不導(dǎo)通，或者不完全導(dǎo)通。
L6388ED內(nèi)部框圖如圖所示。LIN=1，HIN=0，則LVG導(dǎo)通，HVG不導(dǎo)通，Cboot充電。
L6388ED自舉電容的容值可以由手冊上的公式計算得出，我這里控制低速電機(jī)，用的是10uF。
一旦自舉電容充完電手，MOS管可以在一段時間內(nèi)不需要充電，一般是電機(jī)每次啟動時充電。
建議使用15V給L6388ED供電，使用12V的話，可能讓MOS不導(dǎo)通或不完全導(dǎo)通，如下圖所示。
測量三相電壓，如下圖所示，NET_W是W相的電壓，而W可以直接接單片機(jī)的ADC，C11為100nF電容，該電容可以平滑相電壓，不能去掉，否則無法檢測反電動勢。U相和V相與此類似，這里不再贅述。
平滑之后的波形，呈馬鞍型，如下圖所示。
四、單片機(jī)算法
該算法分三個部分，對齊轉(zhuǎn)子、開環(huán)強(qiáng)制換相、利用反電動勢閉環(huán)換相。
4.1 對齊轉(zhuǎn)子。
先給自舉電容充電，然后強(qiáng)制給某一相PWM，讓轉(zhuǎn)子對齊在一個固定的扇區(qū)。
這種方法在絕大多數(shù)的情況下都能對齊，若不能對齊，會啟動失敗，此時，重新啟動即可。
對齊轉(zhuǎn)子的時間不宜過長，針對本文的低速電機(jī)，對齊時間約200ms。
4.2 開環(huán)強(qiáng)制換相。
這里的開環(huán)是指未檢測到反電動勢，強(qiáng)制輸出PWM，并且在預(yù)算好的時間換相，從而讓電機(jī)轉(zhuǎn)起來。
換相的方法，不同的電機(jī)可能不一樣（如：極數(shù)不同），這里使用六步換相，如下圖所示。
其中，+VBUS表示上橋臂給PWM，-VBUS表示下橋臂給高電平導(dǎo)通，斜線表示上、下橋臂均不導(dǎo)通。
上、下橋臂均不導(dǎo)通時，電機(jī)會產(chǎn)生反電動勢。
4.3 利用反電動勢閉環(huán)換相。
理想情況下，上、下橋臂均不導(dǎo)通時，在電機(jī)某一相電壓檢測到反電動勢過零，但是過零時刻和實際要換相的時刻，相差30度角。所以，在檢測到反電動勢過零之后，要延時30度，再換相。
實際情況下，延時的30度還要根據(jù)單片機(jī)內(nèi)部的ADC采樣，濾波算法進(jìn)行補償，這里的補償?shù)慕嵌纫话闶浅暗摹?/p>
假設(shè)超前x度，那么實際換相時刻為(30-x)度。
BEMF就是反電動勢，紅色箭頭指向的是換相時刻，如下圖所示。
但是，ADC采樣的電壓都是正電壓，沒有負(fù)，那就需要構(gòu)造一個虛擬中性點。
把三相電壓加起來取平均值，就是虛擬中性點。如下圖所示。
把虛擬中性點當(dāng)作是零點，這樣就能做到過零檢測。
虛擬中性點并不是一個恒定值，它的波形如下圖所示，類似正弦波。
檢測反電動勢過零，有兩種方法，一種是比較器，另一種是ADC采樣后濾波。
用比較器的方法，優(yōu)點是減少單片機(jī)的運算量，缺點是增加硬件成本。
用ADC采樣的方法，優(yōu)點是減少硬件成本，缺點是增加單片機(jī)的運算量。
由于這里需要用到的ADC采樣率要求不高（20KHz SPS），所以用單片機(jī)內(nèi)部集成的ADC即可。
這里采用ADC采樣的方法。其濾波算法稱為擇多算法，在另一篇博文再詳細(xì)介紹。
五、注意事項
1、ADC要在PWM高電平的中部采樣，可以避免毛刺的干擾。
2、六步換相的步調(diào)必須正確，否則無法檢測反電動勢。
六步換相有問題，可能不出現(xiàn)紅圈中的豎線，也可能不出現(xiàn)藍(lán)圈中的反電動勢。反電動勢有問題，電機(jī)無法加速。
3、可以使用互補的PWM，也可以使用上橋臂為PWM，下橋臂為高低電平。
4、黃色為經(jīng)過比較器后的波形（非本文使用的方法），藍(lán)色為經(jīng)過電阻分壓和電容濾波后的波形。如下圖所示。
經(jīng)過比較器后的波形會產(chǎn)生三條豎線，這三條豎線是由于換相引起的，所以在換相時，不判斷過零。在不換相時，去抖，判斷邊沿翻轉(zhuǎn)即是過零點，此方法比ADC濾波要簡單一些。
5、換相時刻不正確的波形，如下圖所示。
無位置傳感器的電機(jī)控制暫時就講解到這里，從上文，大家或許無位置傳感器的電機(jī)控制存在影響較大，因此發(fā)燒友學(xué)院一直在致力于尋找有實戰(zhàn)經(jīng)驗的硬件教育團(tuán)隊，聯(lián)合一起策劃張飛團(tuán)隊新推出了一門全硬件無位置馬達(dá)驅(qū)動器套件的系統(tǒng)培訓(xùn)課程，希望能幫助硬件工程師們能快速入門學(xué)會并在工作中去應(yīng)用。
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無位置傳感器控制：簡單介紹一下常用的幾種無位置傳感器的控制方式
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43次閱讀SICK光電傳感器的分類SICK光電傳感器把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)組成槽形光電。發(fā)表于 2020-08-04 15:49?
1931次閱讀NH3傳感器TGS826系列產(chǎn)品特性的主要參數(shù)采用尿素溶液催化還原是控制柴油車尾氣排放行之有效的的技術(shù)手段。只有對尿素溶液規(guī)格和試驗方法標(biāo)準(zhǔn)加以嚴(yán)....發(fā)表于 2020-08-04 15:33?
147次閱讀圖像傳感器Hydra3D的特點據(jù)麥姆斯咨詢報道，全球成像解決方案創(chuàng)新公司Teledynee2v近日推出其最新款飛行時間（ToF）C....發(fā)表于 2020-08-04 15:33?
62次閱讀O3傳感器的應(yīng)用可分為哪四個領(lǐng)域？臭氧消毒在國外已被廣泛應(yīng)用。臭氧消毒的的應(yīng)用可分為四個領(lǐng)域：水處理、化學(xué)氧化、食品加工和醫(yī)療，各領(lǐng)域....發(fā)表于 2020-08-04 15:29?
50次閱讀新風(fēng)系統(tǒng)和凈化器之間的區(qū)別與工作原理空氣凈化器和新風(fēng)系統(tǒng)雖然聽起來很像，都是過濾和凈化空氣，但其實二者在本質(zhì)上是不同的，一個是室內(nèi)的死循....發(fā)表于 2020-08-04 15:18?
139次閱讀研究物聯(lián)網(wǎng)與傳感器二者之間的關(guān)聯(lián)傳感器可以使用幾個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。其一，按照被動或主動來分。主動傳感器需要外部能源才能工作，而被動傳感....發(fā)表于 2020-08-04 15:12?
114次閱讀傳感器助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級由于國內(nèi)應(yīng)用需求的增大，中國的傳感器行業(yè)發(fā)展迅速。在這次疫情防控和整個醫(yī)學(xué)行業(yè)中傳感器技術(shù)也發(fā)揮了重....發(fā)表于 2020-08-04 15:08?
348次閱讀環(huán)保傳感器與工業(yè)過程控制的應(yīng)用關(guān)系生態(tài)農(nóng)業(yè)是知識密集和技術(shù)密集的領(lǐng)域。目前作為“電子感官”的傳感技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物學(xué)研究、農(nóng)藥殘留量....發(fā)表于 2020-08-04 15:04?
142次閱讀Moortec推出基于臺積電N5工藝技術(shù)的分布式...Moortec宣布其深度嵌入式監(jiān)控產(chǎn)品組合再添新成員 -- 基于臺積電N5工藝技術(shù)的分布式熱傳感器(....發(fā)表于 2020-08-04 15:00?
80次閱讀FS6122系列傳感器的特征與行業(yè)應(yīng)用FS6122系列質(zhì)量流量傳感器模塊是專為急救呼吸機(jī)和家用呼吸機(jī)等呼吸回路而設(shè)計的流量傳感器。產(chǎn)品有不....發(fā)表于 2020-08-04 14:59?
128次閱讀抗高濕紅外的CO2傳感器在垂直農(nóng)業(yè)中產(chǎn)生的影響垂直耕作也在室內(nèi)受控環(huán)境下進(jìn)行。該系統(tǒng)依靠人工光和植物的垂直分層系統(tǒng)。由于其垂直的層次，這些系統(tǒng)可以....發(fā)表于 2020-08-04 14:54?
55次閱讀Y射線法水分傳感器與TDR法水分傳感器的使用區(qū)別目前，國內(nèi)外有很多種土壤水分測定方法，進(jìn)而有不同的土壤水分傳感器。比如：時域反射法（TDR），石膏法....發(fā)表于 2020-08-04 14:51?
163次閱讀風(fēng)向傳感器無線數(shù)字信號傳輸方式對無人機(jī)會受到風(fēng)的...無人機(jī)作為一種適應(yīng)性強(qiáng)，使用成本低，投放快速方便的懸停式空中載具，在許多不同的場合都得到廣泛的應(yīng)用。....發(fā)表于 2020-08-04 14:47?
119次閱讀MEMS智能傳感器有助于實現(xiàn)器件的設(shè)計和驗證隨著時間的推移，壓力傳感器系統(tǒng)的電子器件，被集成至含有處理器的 IC 中，成本和尺寸都獲得縮減。汽車....發(fā)表于 2020-08-04 14:30?
204次閱讀瑞薩探索電感式傳感器在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用IPS2200可為工業(yè)電機(jī)提供對雜散磁場完全免疫、重量輕、成本低且薄型的設(shè)計。發(fā)表于 2020-08-04 14:17?
188次閱讀影響智慧城市生態(tài)系統(tǒng)安全的因素是什么？亞特蘭大在2018年遭到大規(guī)模勒索軟件網(wǎng)絡(luò)攻擊，該漏洞關(guān)閉了許多設(shè)備達(dá)五天之久，執(zhí)法、商務(wù)許可甚至美....發(fā)表于 2020-08-04 11:51?
491次閱讀發(fā)電機(jī)組發(fā)生氫氣泄漏時應(yīng)該怎樣解決？當(dāng)現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組發(fā)生氫氣泄漏時，只能在發(fā)電機(jī)氫氣壓力大幅下降時才能察覺到氫氣泄漏的發(fā)生。通常情況下，如....發(fā)表于 2020-08-04 11:48?
81次閱讀韓國PSML系列產(chǎn)品系列特點介紹為了能夠更高效的治理粉塵問題，搭載PM2．5傳感器的降霾神器相繼推出，當(dāng)檢測到周邊環(huán)境PM2．5濃度....發(fā)表于 2020-08-04 11:40?
74次閱讀智慧屏搭載多種類型傳感器，TCL助力屏幕成跟世界...電子消費產(chǎn)品的演化，經(jīng)歷了單機(jī)——單機(jī)智能化——場景化聯(lián)動的進(jìn)程，其中智慧屏幕是關(guān)鍵突破點，它是人機(jī)....發(fā)表于 2020-08-04 11:37?
81次閱讀工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展拉動傳感器的需求上升傳感器是工業(yè)裝備的“眼耳鼻舌”，被認(rèn)為是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和核心。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和傳感器是相輔相成、互促共....發(fā)表于 2020-08-04 11:37?
210次閱讀韓國三星電子表示正在擴(kuò)大圖像傳感器的軟件功能Somemiya在接受采訪時表示，使用人工智能（AI）進(jìn)行此類數(shù)據(jù)分析“將形成一個比傳感器市場本身的....發(fā)表于 2020-08-04 11:33?
135次閱讀建設(shè)智慧城市的關(guān)鍵支柱是什么？ 為了使城市開始遵循智能模型，城市管理人員與市民之間需要建立開放的溝通渠道。正在進(jìn)行的交流可以通過....發(fā)表于 2020-08-04 11:22?
487次閱讀村田制作所成功研發(fā)SCHA600系列傳感器全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)在某些極端環(huán)境下，比如隧道、橋梁下和地下停車場的信號、定位精度以及反應(yīng)速度下很不理想....發(fā)表于 2020-08-04 11:08?
73次閱讀用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的微控制器的功能最近物聯(lián)網(wǎng)（IoT）相關(guān)的文章充斥在許多電子工程雜志或期刊，數(shù)量上也是多的不計其數(shù)。眾所周知雖然物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)五花...發(fā)表于 2020-08-04 07:37?
0次閱讀自動駕駛這些年經(jīng)歷了什么？自動駕駛汽車通過攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)等傳感器來感知世界。類似雷達(dá)，激光雷達(dá)，使用不可見的光脈沖來繪制周圍區(qū)域...發(fā)表于 2020-08-04 07:27?
0次閱讀將來可以通過可穿戴設(shè)備分析閱讀和情緒由于麻省理工學(xué)院和杜比實驗室的研究人員和其他同仁的努力，不久的將來可以通過可穿戴設(shè)備分析閱讀和情緒。
...發(fā)表于 2020-08-04 07:13?
0次閱讀8K投影離我們有多遠(yuǎn)？在今年的InfoComm展會上將會有全新的8K激光投影機(jī)亮相，這款產(chǎn)品采用固態(tài)激光光源，亮度達(dá)到流明以上。其實這...發(fā)表于 2020-08-04 06:08?
0次閱讀CHCS-ITH-300S系列高精度電流傳感器[table]
[tr][td]產(chǎn)品特性
[/td][td]應(yīng)用領(lǐng)域
[/td][/tr]
[tr][td]超高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度優(yōu)異的線性度：...發(fā)表于 2020-08-03 14:30?
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