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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 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… 一…………...….………………………………………………:…一.………….: 一..:….. 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...

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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… 一…………...….………………………………………………:…一.………….: 一..:….. 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 …堕堕皇-棚…2…007耋墅舅……………………………………… 得到: R+00d t' 0R+0 d 00L旱d ? 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 I/ = _ 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 一 …,I嗡抟电棚2oo7~8…:://,2纷… 一.…………………………………………………….一….…………: 一……….……………,.. 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 , 一 /一'…一I|_:;.. 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 *一一/一. A相反电动势过零比较波形 ,啦M2S帅川-卿辄M?" ?,, 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. 电动汽车空调用无刷直流电动机无传感器控制
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