负载变化时无刷直流电机的四象限运行

N.Balaji¹和R.Dharmaprakash²

P.G.学者，印度金奈圣彼得大学电气与电子工程系
印度金奈圣彼得大学电气与电子工程系助理教授

摘要

本文对无刷直流(BLDC)电机驱动的无位置和无速度传感器控制方法进行了技术综述，包括使用传感器的背景分析、局限性和进展。无传感器技术改进了传统的控制和传感技术，提高了无刷直流电机驱动器的性能和可靠性。利用MATLAB/SIMULINK软件对负载变化下无刷直流电机的四象限运行进行了仿真。综述了无传感器方法的进展，介绍了该领域的最新发展及其固有的优缺点，包括对实际实施问题和应用的分析。该研究包括对最先进的反电动势传感方法的深入概述，包括终端电压传感、三次谐波电压集成、终端电流传感、反电动势集成和PWM策略。索引术语:无刷直流电机，数字控制，dsPIC，四象限，再生制动

索引词

无刷直流电机，数字控制，dsPIC，四象限，再生制动

介绍

近年来，无刷直流电动机越来越受欢迎。无刷直流电机具有旋转的永磁体(转子)和固定的电枢(定子)。用电子控制器代替有刷直流电机的有刷换向。无刷直流电机比有刷直流电机有许多优点，包括提高速度和扭矩效率，更长的无噪音运行寿命，以及提高将电力转换为机械动力的效率(特别是因为没有由于有刷换向而产生的电气和摩擦损耗)。无刷直流电机中的电机换向由电子控制器实现，为了确定转子位置并知道何时换向，使用霍尔传感器(感应换向)或电机定子绕组中产生的反电动势(无传感器换向)。无传感器控制器在电机启动期间面临挑战，因为当电机静止时不存在反电动势;这是通过从任意位置启动电机来解决的;然而，这可能会导致电机在启动期间短暂抽搐甚至向后旋转。与无传感器控制相比，基于霍尔传感器的控制器更容易实现，并且用于需要良好启动扭矩和需要电机以较低速度运行的应用中。无刷直流电机用于汽车，航空航天，消费，医疗，工业自动化设备和仪器仪表。

无刷直流电机四象限运行

A.无刷直流电机

无刷直流电动机由直流电压驱动，电流换流由固态开关控制。换相瞬间由转子位置决定。转子轴的位置是由霍尔效应传感器，它提供信号给各自的开关和。每当转子磁极通过霍尔传感器附近时，它们给出高或低信号，表明N或S极正在通过传感器附近。电机图外围显示的数字表示传感器位置代码。转子的北极指向在该转子位置输出的代码。这些数字是传感器逻辑级别，其中最高有效位是传感器，最低有效位是传感器。基于这三个霍尔传感器信号的组合，可以确定准确的换相顺序。这些信号通过组合逻辑解码，在三个阶段的每个阶段提供120导通的发射信号。转子位置解码器有六个输出，控制上下相分支mosfet。

B.四象限运算

无刷直流电动机有四种可能的运行模式或象限，如图所示，当无刷直流电动机在第一象限和第三象限运行时，供电电压分别大于正向和反向运动模式的反电动势，但电流的方向不同。当电机在第二和第四象限运行时，电机产生的反电动势值应大于供电电压，分别为正向制动和反向制动运行模式，这里电流的方向也相反。初始使无刷直流电机按顺时针方向旋转，但当获得速度反转命令时，控制进入顺时针再生模式，使转子处于静止位置。不是等待绝对静止的位置，而是尝试对主相进行连续通电。这迅速减慢了转子静止的位置。因此，有必要确定电机转子处于理想反转位置的瞬间。

比例积分控制器

比例积分导数是控制回路所使用的反馈机制。PI控制器试图通过计算和输出校正动作来校正测量过程变量和期望设定点之间的误差，从而相应地调整过程。PI控制器的计算涉及两种独立的模式:比例模式和积分模式。比例模式确定当前误差的反作用力，积分模式确定基于最近误差的反作用力。作为对控制元件的校正动作的两种模式输出的加权和。将电机转速与其参考值进行比较，并在比例积分(PI)控制器中对转速误差进行处理。该控制器的输出作为参考转矩。速度控制器输出的限制取决于允许的最大绕组电流。

数字控制

无刷直流电机由给定转子位置的矩形电压行程驱动;定子磁链的产生与转子磁链的产生一起决定了转矩，从而决定了电机的转速。为了获得最大的产生转矩，必须对三相绕组系统施加电压冲程，使定子磁链和转子磁链之间的夹角保持在接近90°。为了满足这一标准，电机需要电子控制才能正常运行。

脉宽调制模块:

PWM模块简化了生成多个同步脉宽调制(PWM)输出的任务。它有六个PWM I/O引脚和三个占空比发生器。三个PWM占空比寄存器是双缓冲的，以允许PWM输出的小故障更新。对于每个占空比，有一个用户可以访问的占空比寄存器，而第二个占空比寄存器保存当前PWM周期中使用的实际比较值。

仿真软件模型

无刷直流电机的Simulink模型。利用MATLAB/Simulink对三相无刷直流电动机的闭环控制器进行了建模，并将梯形反电动势永磁同步电机作为无刷直流电动机进行了建模。图8所示的控制器模型接收霍尔信号作为输入，并将其转换为相应的电压信号。通过比较实际速度和参考速度来产生门信号。因此，闭环速度控制是在PI控制的帮助下实现的，存在于控制器块中。

四象限驱动的Simulink模型。

电动势产生装置

仿真结果

三相输出电压

完整传动系统

直流电机实现了四象限零电流转换变换器，实现了四象限单可控开关。常见的再生制动方法包括增加一个变换器，或增加一个超级电容器，或改变电源开关的开关顺序。但增加转换器的方法不仅增加了成本，而且降低了转换效率。增加超级电容器的方法不需要额外的DC-DC转换器，但需要一个传感器来检测超级电容器的电压。这使得电路非常复杂，难以实现。而且超级电容器非常昂贵。本文提出的方法简单可靠。在再生制动模式下，它将能量储存在可充电电池中。继电器电路用于在加速模式下运行电机，并在再生模式下对电池充电。从电机霍尔传感器获得的位置信号由dsPIC控制器的I/O线读取。 The Hall sensor inputs give the position of the rotor which is fed to the controller. The controller compares it with the reference speed and generates an error signal. The required direction of rotation either clockwise or counter clockwise can also be fed to the digital controller. The PWM module of the controller generates appropriate PWM signals, which are applied to the three phase inverter. Whenever there is a reversal of direction of rotation it implies there is a change in the quadrant. When the motor is operating in the motoring mode, in the clockwise direction, the relay contacts are normally open. But when braking is applied or when a speed reversal command is received, the relay contacts are closed. The kinetic energy which will be wasted as heat energy is now converted into electric energy which is rectified and stored in a chargeable battery. The braking energy can be given back to the power source. But it increases the complexity of the circuit, the DC power generated has to be inverted to be given back to the mains.

结论

无传感器技术改进了传统的控制和传感技术，提高了无刷直流电机驱动器的性能和可靠性。利用MATLAB/SIMULINK软件对负载变化下无刷直流电机的四象限运行进行了仿真。综述了无传感器方法的进展，介绍了该领域的最新发展及其固有的优缺点，包括对实际实施问题和应用的分析。该研究包括对最先进的反电动势传感方法的深入概述，包括终端电压传感、三次谐波电压集成、终端电流传感、反电动势集成和PWM策略。

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