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电动车无传感器无刷直流电机控制系统的设计 任志斌，刘西平 中国赣州，江西科技大学，机械电子工程学院 邮箱： HYPERLINK mailto:renzhibin824@ renzhibin824@ 摘要 为了能够满足使用直流电动机的电动车可靠地运行，本文主要集中于无传感器无刷直流电动机的控制器和换向点的研究。通过利用定子铁心得饱和效应，六个脉冲电压用来估计最初的换向点。换向之后有一系列的脉冲电压用来对电动机加速。 当电动机的转速到达一定值时，可以使用反电动势法，电动机的运行状态能否平稳地切换决定于端电压和整流相数的关系。“滞后90?-α换向”有希望能够克服传统换向方法的不足。实验结果也证实了这种方法的可行性和正确性。 关键字：无刷直流电动机，电动车，无传感器控制，换向点。 引言 由于直流无刷电机的功率密度高，结构坚固，容易控制，所以在应用中使用很广泛。在一些高性能的伺服系统和机器人中应用最为广泛，用来准确地定位和起制动。在降低成本，使用的低效率，应用空间受限制，位置传感器的可靠性等问题上，无传感器控制已经取得了突破性的进展。另外，微处理器和数字信号处理器（DSP）的快速性和持续性的提高也加快了无传感器控制技术的快速发展，事实上，无刷直流电动机的应用很广泛，比如，空气压缩机，发动机冷却风扇，燃料棒，电动车等等。 基于反电动势检测方法的无刷直流电动机无传感器控制技术已经广泛地适用于工业和商业领域。反电动势的磁场大小和电机的转速成正比例，因此，反电动势检测方法不适用于电机停止转动的状态。为了解决这个问题，有很多的方法，其中一个就是三步启动方法，这种方法适用于电机的转动方向确定，在反电动势检测法使用之前使电机加速旋转起来。这种方法对于启动很简单，但是容易受到电机负载变动或者某些原因要改变电机转动方向的影响，所以在有些时候不能使用。 本文的短脉冲检测方法基于定子铁心的饱和效应，这在起动时将不会引起反转或者震动。主要通过电流传感器Ri检测，电阻网络用作分压器。反映反电动势的端电是压通过A/D转换器送入微控制器的。 初始转???位子估计 定子的相电感决定于：（1）是相电流，是流过转子和定子线圈的磁通。图1是定子铁心的非线性磁化特性电感，来自于转子的不同位置转子磁铁的极接近定子绕组，由于定子铁心的饱和定子绕组中电流沿着磁化方向的变化比相反方向的变化大，因此在某一个相同的周期内如果换流器中恒定的电压矢量加到电动机上由于转子位置的不同电流的大小可能不一样。转子位置的估计是基于已磁化的定子磁场。图2展示了转子永磁铁 磁极靠近定子铁心的三种情况。在图2（a）中很小的相电感（sat）定义为定转子磁场同相时的电感。类似地，图2（b）中定义了相对大的电感（linear）:当定子磁场不在转子磁场内时。图2（c）定义了电感的中间时刻（m）。 图1定子铁心的非线性磁化特性电感 图2（a）（sat），图2（b）（linear），图2（c）（m）。 初始转子位置检测 基于上述的运行原理，利用六脉冲电压加到相绕组上并且相互比较响应电流的峰值来确定转子的位置。图3（a）所示，高压端VT1和低压端的VT6开通，用A+B-来表示。所得到的磁场由圆弧线表示。当高压端VT3和低压端VT2导通时用B+C-表示，在图3（b）中圆弧线表示了这种情况下的磁场。如果转子磁极的北极和圆弧磁场线在同一或者相反方向，那么响应电流将会更大，因此转子磁极的北极的位置就缩小到了60°，如图3（c）所示。当转子初始位置被检测到后，电机已近加速到了一定的转速。通常自控式的无刷直流电动机是由三相六脉波的逆变器驱动的。每一次都是一次两相导通。每次导通时间为120°电角度，第三相不导通。为了产生最大的电磁转矩，逆变器应该没隔60°换向，换向应该发生在反电动势波形相交自然换向点30°的地方。 图3 4.滞后方法 根据反电动势过零点的分析，提出了一种用带通滤波器检测的方法。通过对反电动势检测方法的分析，图4(a)所示，反电动势的零点有延时，因此产生了相应的校正方法来提高无刷直流电机的性能，由图4(b)所示。表1给出了检测反电动势的零点时用的检测方法。这种位置检测方法能在一个宽的速度范围内使用。 5.实验结果 无刷直流电动机的参数如下：4对极,400W。根据图3转子初始位置检测法，再由表1，图5给出了响应速度的波形。为了证实上述提出的方法，我们总结了一些实验数据。在试验中，对电流采样时使用电流传感器的软硬件和强大的数字信号处理器（DSP），用采样电流来验证转子的位置。图5（a,b）展示了传统的三步启动方法，图5（c）中展示了新的方法得到的波形。实验结果表明，新的方法使得驱动的跟随性能更好。 6.总结 论文提出了无刷直流电动机新的启动方法和平稳的换向方法。使用这种方法，转子停止时的位置可以以60°的分辨率估