电动汽车空调用无刷直流电动机无传感器控制
电动汽车空调用无刷直流电动机无传感器
控制
驱I控微持电棚2007年第8期…己;;三/》碧…一…
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电动汽车空调用无刷直流电动机无传感器控制
夏亮,徐国卿,康劲松,胡波
(同济大学,上海200092)
摘要:设计了一种无位置传感器无刷直流电动机的变频调速系统.该系统基于智能
功率模块(IPM)和数字
信号处理器(DSP),采用反电势法实现了电动汽车空调用无刷直流电动机的无传
感器控制.整个系统集成度高,
稳定性好.
关键词:反电动势;无刷直流电动机;无位置传感器控制;电动汽车
中图分类号:TM33文献标识码:A文章编号:1004-7018(2007)08-0042—03
SensorlessControlofBrushlessDCMotorofAirConditionerinFCV xIAliang,XUGuo—qing,KANGJin—songHUBo
(TonalUniversity,Shanghai200092,China)
Abstract:AkindofvailablespeedcontrolsystemofabrushlessDCmotorwithoutarotorpositi
onsensorWaSde—
signed.Basedonintelligentpowermodule(IPM)anddigitalsignalprocessor(DSP),thissyst
emusedback—EMF(electro—
motiveforce)methodtoimplementthesensorlesscontrolforbrushlessDCmotorofaircondit
ioner(AC)inFCV.1'hesystem
WaShighlyintegratedwithflexiblecontrolandstrongreliability. Keywords:back—EMF;brushlessDCmotor;sensorlesscontrol;FCV
0引言
无刷直流电动机具有调速性能好,体积小,效 率高等优点,在很多领域得到了广泛的应用.转子 位置传感器对于无刷直流电动机正常工作具有十分 重要的作用,它为电机的换相提供基本换相信息. 但位置传感器存在一定的弊端,不仅增加了成本,增 加了电机结构的复杂性,而且由于位置传感器的存 在,在一些高精度及环境复杂的场合,位置传感器的 信号会受到影响,降低系统的性能.无刷直流电动 机采用无位置传感器控制技术后,不但克服了有位 置传感器无刷直流电动机的的缺点,还更进一步地 拓宽了其应用领域.
电动汽车作为一种无污染,能源多样化配置的 新型交通工具,正越来越受到社会各界尤其是政府 部门的重视,无刷直流电动机由于其具有很高的效 率和转矩/质量比,使其在电动汽车系统中备受青 睐.本文主要介绍无位置传感器无刷直流电动机在 汽车空调系统中的应用.
1无位置传感器无刷直流电动机控制技术 1.1转子的定位和起动
无刷直流电动机在静止或低速时感应电势为零 或很小,很难用来判断电机转子磁极的位置,因此必 ?收稿日期.2o07-02-l2
须利用其它方法对电机转子进行定位和起动控制. 近年来,国内外学者对无位置传感器无刷直流电动 机电机转子的定位和起动研究主要集中在以下几 点:三段式,预定位,脉冲检测,外部硬件电路等起动 方法.对于汽车空调系统的无刷直流电动机,本文 采用三段式起动方法.
三段式起动方法分为"转子定位","他控同步 加速运行","自控同步运行"三个阶段.在起动阶 段,按照所需的转向依次改变逆变器功率器件的触 发组合状态,同时用端电压反电动势法检测各触发 组合状态所对应的开路相的反电动势过零点,并通 过提高PWM占空比逐渐提高电机的外施电压J. 1.2转子磁极位置检测方法
无位置传感器的无刷直流电动机的转子位置估 计方法有以下五种:反电动势法,电流法,状态观测 器法,人工智能法和磁链法.前三种方法的研究相 对比较成熟,且都已得到一定程度的应用,而用人工 智能方法和磁链函数法获得转子位置的研究则刚刚 处于起步阶段.
检测反电动势过零点多采用端电压法,即通过 测量三相绕组的端电压与中性点电压来实现.当某 相端点电位与中性点电位相等时,则此刻该相反电 动势过零,反电动势过零后再延时30.电角度即为 触发功率开关管进行换相的时刻E3]. 1.2.1反电动势过零点检测技术
从无刷直流电动机的等效电路模型出发,可以 电动汽车空调用无刷直流电动机无传感器控制
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得到:
R+00d
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0R+0
d
00L旱d
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过低通滤波,由此得到检测信号Ua.,Ub.和Uco.本 文设计采用如图1所示的端电压检测电路. kj』<j
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群vT4,,r,,r2zJJ图1反电动势法端电压检测电路 2控制系统硬件设计
无位置传感器无刷直流电动机的驱动控制系统 由无刷直流电动机,主电路,驱动电路,控制模块,端 电压检测电路,转子位置硬件检测电路等组成.图 2为整个电机控制系统框图.其中控制模块包括TI 公司的DSP处理器TMS320LF2407,看门狗电路, 输入输出调理电路等;驱动电路包括了故障保护电 路;主电路采用三菱公司的七单元IPM模块. 图2电机控制系统框图
2.1低通滤波电路的设计
电机的端电压信号中不仅包含有反电动势信 号,而且还含有斩波信号.斩波信号的存在会严重 干扰反电动势波形,使得过零点不明确,因此在反电 动势位置检测电路中一般都会增加低通滤波电路 (如图1所示).然而滤波器的引入必然会产生相 移,因此在实际应用中必须对换相时刻进行适当的 相位修正.
根据图1,可以很容易地算出检测电路产生的 相移,以相为例,其中为端电压,.为滤波后 的输出电压厂为反电动势频率,为相角延迟.按 基波计算有:
.
U.Rl+R2+j2lR2Cl(3) …rctg
等?
这里R和R为相同数量级(kQ),c取值较大 (),该电路的相移与以上器件的选取有关,同时 还与输入信号的频率有关,所以在调速过程中必须 动态地进行相位补偿.在大的调速范围内,相位延 迟角一般都超过30.,延迟30.一进行换相的原理 已经不能满足设计的要求,针对这一问题本文在软 件设计时采用了90.一的换相原理.
2.2转子位置硬件检测电路的设计
无刷直流电动机
的转子位置检测电路
中,采用三个比较器电
路来检测反电动势过
零点,如图3所示.其
中,Rl=R3=R5,R2=
R4=R6,并且R2>Rl.图3转子位置硬件检测电路 将电机的三相端电压信号与中心点电压信号比较的j 三个结果分别输入至DSP的三个捕获中断端El,从; 而DSP在一个周期内可捕获到六个反电动势过零:出 点信号.i
3电机控制软件设计垂
:塑
电动汽车空调用无刷直流电动机的驱动器和其j早 它高压设备比如DCF(DC/DCforFCE)和MC(Mo一:刷 torController)单元一起安装在PCU(PowerControl:萧 Unit)中,并且共用一个CAN网.因此,驱动器的速; 度给定和状态汇报都由CAN网络来完成.主程序:
框图如图4a所示.;传
无传感器无刷直流电动机控制的关键技术是外i 同步起动和外同步至内同步的切换.外同步起动子;磊 程序框图如图4b所示.无刷直流电动机采用三段j 式起动方法.当转子速度为零时,控制IPM中IGBT; VT和VT导通,所加电压U:Vo.当转子速度升il 觑,帚t1)_,/雩奄奄.ot0_.口0
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高即增加时,所加电压U=+Uo,k为常数,
VTlV1r6,VTlVT2,VT3VT2,VT3VT4,VT5VT4,VT5V
1
依次导通,导通时间为=?.图中:.为自同步
N
切换的最低频率,.s.s.s按规定次序连续变化是指 按照100—101—001,011—010—110变化,S的下 降沿与vT,VT2,vT,,vT4,VT,V1r6关断时刻之间 的时间间隔要小于ofTN,为小于I的常数J,考 虑到端电压测量时RC滤波的延时,需要根据实际 情况调整的大小.只有当三个条件同时满足时, 电机才从外同步切换至自同步状态.
捕捉中断子程序的框图如图4e所示.进入子 程序后,首先应该判断.s.s.s与上次中断时读到的 值是否连续.比如这次读到的.sSS是101,若上 次读到的是100,则继续执行程序,否则立即执行中 断返回.其次还应考虑波形中的毛刺所造成的误中
断.由于某相反电动势过零点比该相管子导通时刻 超前30.,除去低通滤波器的延时时间,所以过零 点延时30.一才是该相管子导通的时刻.本文在 软件没计时采用了90.一的换相原理,比如将 上升沿延时90.一来触发导通VT.图4e中的时 间间隔对应于60.电角度.
图4d为AD中断子程序,该程序一方面完成电 l调用外同步子程序
匝
I接收cAN速度指令
'
l故障及状态汇报l
l给CAN网络l
(a)主程序框图
l预定位VT5VT管子导通I
'
l【,=%+矾,=1/f.II
VTIVT6管子导通J
l
I?,帕+,=1I
IvT-v管子导通I
f~--fN+AfN,,'N+,z1编
T2VT3,VT3VT.,VT?VTs,VTsVT6,VT1VT
依次导通时间
I
N
(b)外同步子程序框图
(e)捕捉中断子程序框图(d)AD转换子程序框图 图4程序框图
流电压等的采样,另一方面完成速度闭环的PI调节. 4试验结果和波形
按照图2的系统框图设计硬件,采用375V直 流电源供电,对用于电动汽车额定功率为3kw,极 数为4的无刷直流电动机进行试验,电机从起动到 他控升速再到自控状态,都能平滑切换并正常运行, 其运行转速范围为l000,5000r/min.图5和图6 是无刷直流电动机的试验波形.图5中,A相端电 压波形对应于图2中的.;A相端电压滤波后的波 形对应于图2中的Ua.;中心点电压的波形对应于图 3中的;A相反电动势过零比较信号对应于图3 中的.s..图6为各相反电动势过零比较信号的波 形,它们之间互差120..事实证明,采用端电压反 电动势法检测空调无刷直流电动机转子位置的方法 是切实可行的.
儿?s10pMP锻帅"fek儿?M辘啪
相端电压波形相反电势过零比较信号
一酥………
相滤后端电压波形反粤警比墼号
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中心怠电压波形C相反电动势过零比较信号 ''.'r广-nnr
.
…一,*丁L—LJL-JLJLJ
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A相反电动势过零比较波形
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图53000r/min时图63000r/min时
无刷直流电动机试验波形各相反电势过零比较信号 参考文献
[1]吴筱辉,程小化,刘杰.反电势法检测转子位置的无刷直流电 动机起动方法[J].微电机,2005,38(4):79. [2]董富红,沈艳霞,纪志成.永磁无刷直流电动机无位置传感器 估计方法综述[J].微电机,2003,36(5):39 [3]堵杰,林小玲.无位置传感器无刷直流电动机位置检测技术的 研究[J].微特电机,2003,31(2):3—6.
[4]OgasawaraSS,AkagiH.AnApproachtoPositionSensorlessDrive
forBrushlessdcMotors[J].IEEETransactionsonIndustryAppli— cations,1991,27(5):928. [5]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京:机械工业出版 社,2004.
[6]王聪译.现代电力电子学与交流传动[M].北京:机械工业出 版社.2005.
作者简介:夏亮(1982一),男,硕士研究生,电力电子与电力传 动方向.
胡波(1972一),男,博士生,工程师,从事电力电子和传动方面 的工作.
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