双凸极永磁电机的控制方案研究

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　　摘要:双凸极永磁电机的主要特点是结构简单,适合于自动化制造。与双凸极永磁电机设计有关,得到使定位转矩为零的充分条件。鉴于位置传感器的不精确和一种现存的无位置传感器方案的移相困难,提出了一种新的无位置传感器方案。仿真验证了新方案的精确性。实际可行性由一单片机系统初步证实。
　　关键词:双凸极;永磁电机;无位置传感器
　　中图分类号:TM3 文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 04-0000-01
　　Doubly Salient Permanent Magnet Motor Control Scheme
　　Sheng Haoqi
　　(Ningbo Public Transport Vehicle Detection Co., Ltd.,Ningbo315000,China)
　　Abstract:The main characteristics of Doubly Salient Permanent Magnet Motor is simple structure,suitable for automated manufacturing.And the doubly salient permanent magnet motor design is related to positioning are sufficient conditions for zero torque.Given the imprecise position sensor and a non-existing program phase shift position sensor problems,a new Unposition sensor scheme.Simulation results show the accuracy of the new program Practical feasibility and initial confirmed by a microcomputer system.
　　 Keywords: Doubly Salient;Permanent magnet motor;Unposition sensor
　　
　　双凸极永磁电机采用高性能永磁体激磁,工作在双极性状态下,其能量转化率和绕组利用率较传统变磁阻电机要高,因此它具有较高的转矩密度,与相同功率等级的传统变磁阻电机相比,其体积较小。由于高性能永磁体的采用,双凸极永磁电机设计时绕组匝数与相同功率等级的变磁阻电机相比要少,加之采用集中绕组和体积的减小,绕阻端部长度亦较小,故此电机铜耗较传统变磁阻电机要小。在小功率应用范围内,由于铜耗在总损耗中占较大分量,与传统变磁阻电机相比较,双凸极永磁电机在效率上的改进尤为明显。
　　如果控制的设计能使用一个精确的模型,那么利用线性反馈技术和预先计算好的最优的转矩分配函数,就能导致最优的动态性能。然而,使用精确模型意味着复杂的在线计算,或者是巨大的用来查询的表格,这些暂时都难以实现;而实际上模型的不精确性是不可避免的,从而不可避免的使性能变坏;还有实际的测量的不精确。然而可以采用一种完全不同的思路,即使用一个简化的模型,而其中的参数被自适应的实时的调整。总之,改善双凸极电机的动态性能的控制方法正在不断完善。
　　一、位置传感器方案
　　“两相导通”策略下,控制器的主要任务是根据当前的转子位置决定哪个两
　　相组合导通。事实上,导通原则只是间接地依赖于转子位置,而直接地依赖于反电势。换句话说,即:“总是选择线反电势较大的两相导通”。
　　由于反电势难以获知,而它与转子位置有固定的联系,因此改由检测转子位置来决定触发信号。如果反电势与转子位置的关系已知,那么,这样的传感器装置(比如槽形光耦配合遮光盘)不难设计。此时,控制器的作用就像一个简单的译码器,它接收3路位置传感器信号,而产生6路逆变桥控制信号。
　　二、无位置传感器方案
　　(一)位置传感器的缺点
　　使用位置传感器无疑是最简单的,同时也是可靠的。更为重要的是,它不存在起动困难。其缺点是控制器与电机的连线过多、传感器增加了系统的硬件成本、不能灵活地调整控制策略,以及在大极对数下对传感器的安装精度要求过高。为解决这个问题,可以通过无位置传感器方案来解决。
　　(二)一种经典的无位置传感器方案
　　这一方案的原理是:检测关断相反电势的过零点;在过零点之后,电机再转过30度电角,即换流时刻。通过检测三相端电位即可检测关断相反电势的过零点。
　　任何平顶宽度达到或超过120度电角的反电势都能够保证,在某相成为关断相期间,另外两相的反电势的幅值始终相等。事实上,对反电势的要求无需如此苛刻。确切地说,只需在关断相反电势的过零点位置,导通两相的反电势具有相等的幅值即可。换句话说,在关断相反电势过零点位置的两边,中心点电位可以偏离导通两相端电位的中点。这样并不会引起检测过零点位置的误差。把这一要求称为对反电势的最小约束[1]。可以证明,反电势波形的峰(谷)若左右对称如正弦波、等腰梯形波,即可满足上述要求。当然,中心点电位的偏离不能太大,那样的话,将产生多余的伪过零点。如果反电势满足最小约束,则在此过零点位置,同样满足两相的电感相等,因为此时两相绕组处于相同的磁路环境。因此,与反电势的情况相同,即使在其它位置“电感相等”的条件不能满足,也不会影响过零点判断的精度。
　　可见,过零点的判断几乎不依赖于电机参数;换句话说,过零点判断在理论
　　上几乎没有误差。这是这一方案最(或许也是唯一)迷人的地方。
　　误差在“移相30度”时开始引入。事实上,根本无法实现移相,因为并不能测量角度。所能做的,是在检测到过零点之后延迟一段时间(这段时间内,估计电机转过30度电角),再实施换流。显然,延迟时间的长短依赖于当时的转速。
　　由于电机在两个相邻的过零点之间转过60度电角,因此,延迟时间通常取前一个过零点到当前过零点的时间的一半。然而,这无疑使换流精度与动态响应成为矛盾。注意,不要误以为解决如何精确地转过30度电角是完善这一方案的关键。
　　因为,如果能精确地转过30度电角,那么也能精确地转过60度电角,于是,可以从上一个换流点直接得到下一个换流点,而不需要再检测什么过零点。也就是说,到时候找到的是一个全新的方案,而不是对原方案的改进。
　　因为电机静止时没有反电势,所以该方案存在起动困难。据作者所知,起动问题至今还没有成熟的、普遍适应的解决办法。在一些简单的场合,比如己知负载的大小和惯量,可以先由(任意)两相通电使转子定位,然后以开环调频的方式使电机按照既定的速度曲线起动。
　　三、本文提出的无位置传感器方案
　　鉴于上述方案将在“移相30度”时引入误差,作者提出了一种直接检测反电势交叉点的无位置传感器方案。必须承认,新方案虽然不需要移相,但将依赖于电机的参数。
　　检测反电势的交叉点实质上是比较两相反电势的大小。显然,无法直接得到反电势然后比较它们。反电势的信息主要还是从相端电压获得。用Mierochip公司的PIC16F873单片机实现了新方案的最简模式。所谓最简模式,是直接比较相端电压,而不计电流的影响。这在轻载下不致引起太大的误差,仍可用来检验新方案的可行性。进一步补偿电流的影响须求助于DSP芯片(其中包括高速A/D转换),因为算法包含微分运算以及与之相联系的数字滤波。与上一方案比较,新方案的优点是理论上没有误差;缺点是多了电流测量环节。注意,在补偿电流在绕组电感上的感应电压时,无需知道所有转子位置上的电感值,而只需知道换流时刻对应的电感值即可(与上一方案同理)。这一点相当重要,因为不然的话,该方案根本不可行。
　　参考文献:
　　[1]MicroSim Corporation,Brushless DC Motor Model,MicroSim Application Notes.Version 8.0 June,1997,44-54

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