无位置传感器无刷直流电机控制系统仿真谭锦荣,曾岳南广东工业大学自动化学院,广东广州(510006摘要介绍了无位置传感器无刷直流电机控制系统的控制策略,包括基于反电动势法的转子位置检测方法以及/三段式0起动方式,并在Matlab7.1/Simulink平台上建立了控制系统虚拟原型,对该控制策略进行仿真分析,仿真结果证明了该策略的有效性。关键词无刷直流电机;无位置传感器;反电动势;起动;仿真TM301.2TM33文献标识码A100827281(20080620032205SimulationofControlSystemforSensorlessBrushlessDCMotorTan激nrongandZengYuenanAbstractAstrategyofcontrolsystemforsensorlessbrushlessDCmotorisintro2ducedinthispaper,whichincludesdetectionmethodofrotorpositionbasedonback2EMFandthree2stagestart2upmethod.BasedonMatlab7.1/Simulink,avirtualmodelofcontrolsystemissetup.Thiscontrolstrategyiseffectiveverifiedbysimulationresul.tKeywordsBrushlessDCmotor;sensorless;back2EMF;start2up;simulation.0引言无刷直流电机具有体积小、重量轻和效率高的优点,因而近年来在办公自动化及家电行业中得到广泛应用。为了降低电机的成本及提高控制系统的可靠性,无位置传感技术成为今后重要的发展方向。Matlab7.1/Simulink内含丰富的模块库,使得以分析对象的数学模型为基础的计算机仿真技术实现了模块化和可视化;同时Powerlib模块库内具有多种标准模块,当中包括了直流无刷电机模块。本文基于Matlab7.1/Simulink平台建立了无位置传感器无刷直流电机控制系统,并对控制方案进行仿真评估。1控制策略1.1采用双闭环结构本控制系统采用双闭环结构,如图1,外环为速度环,内环为电流环。根据电机转子位置信号计算出电机转速,与速度给定比较得到速度误差信号,经速度调节后,得到相应的电流给定值,该电流给定值与电动机实际相电流值比较得到电流误差信号,电流误差信号经过电流调节所得到的值决定了PWM占空比,用此PWM信号驱动三相逆变电路,实现永磁无刷直流电动机转速控制。图13双闭环控制系统方框图1.2转子位置检测方案采用反电动势过零检测方法,其原理为:对于两两导通三相六步的无刷直流电机,在任意时刻其三相绕组只有两相导通,每相绕组正反向分别导通120b电角度,如图2所示。通过测量不导通相绕组端子电位及中性点电位,当该端电位与中性点电位相等时,则此时刻该相绕组反电势过零,经过30b电角度的延时就必须对功率器件进行换32相,才能获得最大驱动力矩。图2BEMF及相电流波形直流电机的A相等效电路见图3。图3电机A相的等效电路由图3可得,无刷直流电机A相的电压方程为Ua=Ria+Ldiadt+Ea+Un同理可得到B、C相的电压方程为Ub=Rib+Ldibdt+Eb+UnUc=Ric+Ldicdt+Ec+Un式中,Ua、Ub、UcA、B、C三相端子对直流母线负端的端电压;Un星形联结中点对直流母线负端的电压;ia、ib、icA、B、C三相绕组的相电流;R各相电阻;L各相电感;Ea、Eb、EcA、B、C三相反电动势。由于采用的是两两导通方式,所以在每一瞬间只有两相导通,这两相电流大小相等方向相反,另一相相电流为零,所以三相电流的总和为零,即ia+ib+ic=0,又由于在反电动势过零点附近,三相反电动势总和为零,即Ea+Eb+Ec=0,故有Un=13(Ua+Ub+Uc。对于不导通相,其电压方程可写成:Enon-fed=Unon-fed-Un=Unon-fed-13(Ua+Ub+Uc。式中,Enon-fed,Unon-fed不导通相的反电动势及端子对直流母线负端的电压。当Unon-fed-13(Ua+Ub+Uc=0时反电动势过零,再延迟30b电角度便得到换相点。由于电机端电压包含反电动势和高频斩波信号,斩波信号的存在会导致过零检测错误,所以应用反电动势位置检测电路一般都会包含有低通滤波电路。滤波电路的引入必然会带来滤波后波形相位滞后,而且滞后的角度与信号频率有关,因此,必须对滞后的相位进行补偿才能得到正确的换相信号。图4BEMF检测电路以A相为例,由图4可得检测点电压Uao与绕组端电压Ua之间的关系Ua0Ua=R2R1+R2+j#2P#f#R1#R2#C1式中,R1、R2分压电阻;C1滤波电容;f反电动势频率;n电机转速;p极对数。由此可得相角位移为A=arctan2P#R1#R2#C1#fR1+R2=arctan2P#R1#R2#C1#(n#p/60R1+R2换相时应将相角位移考虑进去,即换相延时不再是30b,而是30b-A。1.3电机起动方式采用/...