PMSM无位置传感器控制中的相电流检测

PMSM无位置传感器控制中的相电流检测2009年11月4日摘要：在PMsM的无位置和无速度传感器控制驱动方面，构建了一种基于滑模变结构理论的状态观测器，同时，针对传统的三相电流检测或母线电流检测方式中存在的不足，根据基尔霍夫定理，提出了一种更为经济简洁的相电流检测方法，应用于PMsM矢量控制系统中，能准确有效地估算出转子磁链位置角。最后，采用TMS320c24x验证了检测和控制方法的正确胜。关键词：元位置传感器；DsP；PlⅥsM；滑模观测器；电流检测中图分类号：TM34l；TM351文献标识码：A文章编号：1004—7{】18f2009)10一IJll37—030引言根据电机本体的差异及逆变器工作方式的不同，电子换相的永磁同步电动机可以分为方波式直流无刷电动机和正弦式永磁同步电动机。无刷直流电动机与120°导通型三相逆变器相匹配，可实现方波型驱动，其转子位置传感器只需要提供转子若干关键位置的离散信号，因而此类电机控制简单，但由于相绕组呈感性，电子换向时会产生电流脉动，进而引起电机的转矩脉动1。正弦式PMsM控制方式灵活，与180°导通型逆变器匹配，可实现正弦波驱动，引入磁场定向的矢量控制控制策略可有效地削减转矩谐波，具有优良的调速性能，但是矢量控制中需要获取连续的、精确的转子磁链位置信息。为了提高系统的经济性和可靠性，系统采用无位置传感器控制，也就是利用电机绕组中相关电信号通过适当算法估计出转子位置和速度，由以软件实现的磁链观测器取代位置传感器。为使状态观测器中的位置观测算法估算的位置量精确可靠，就必须对电机绕组中的电流等观测器输入量有一个准确性要求，因此电机绕组中电流信号的检测方法很重要。1PMsM的无位置传感器控制Habetler提出的空间矢量调制方法在异步电机中已有广泛的应用，矢量控制技术同样也适用于永磁同步电动机的变频控制。PMsM一般通过检测电机转子磁链位置来控制定子电流或电压，使定子和转子磁动势保持确定的相位关系，从而产生恒定的转矩。由于PMsM转子磁通位置与转子机械位置是一致的，我们通过检测转子的实际位置就可以得知电机转子磁链位置。传统PMsM控制中最常用的获取转子位置和速度信号的方法是在转轴上安装传感器，本控制系统采用滑模状态观测器取代位置传感器，通过适当算法估算出转子位置和速度。观测器模型如图l所示。纠正模型，适当地选择K参数和估计反电势，能使估计电流和实测电流相吻合。电流观测器模型可表示为2：在αβ静止坐标系下，分别沿α和β轴分解后可表达如下式1的离散表达式为：一阶低通滤波器(LPF)滤波得到系统中运用TMs420F240xDsP的高速运算能力和面向电动机的高效控制能力来获得转子的位置和速度信号，实现无传感器换相和速度、电流的闭环控制。系统控制框图如图2所示3。2电流检测方式在逆变电路的控制中，为了获取所需的相电流信号，传统的电流检测装置是直接用电流传感器或者采用三路电流采样运算电路，它们虽然有运算简单、控制可靠的特点，但是没有经济性可言。为了降低成本和简化电路，有人提出了采集直流侧母线电流信号来推算交流侧三相电流值，这种方法利用了在通常八个开关状态(sa、sb、sc)中除(O，O，O)和(1，l，1)外的其他六个开关状态下，直流母线电流信息总对应。、6、c中某一路相电流值，这种检测方式能简化硬件电路，但加重了软件处理的负担，它需要在一个PwM周期内检测两次电流信号，并且两次检测点必须分别对应在不同的两种开关状态期间，因此，对AD转换芯片的采样和转换速度要求很高，而且在判断相电流时，需要先判断所处的空间矢量区间，这样也很难做到适时性。本文综合上面两种电流检测方式的优点，检测U，、V两相电流，再根据基尔霍夫电流定理，得到W相电流值。UV两相的下桥臂开关管_T4、T6的s端脚与直流地之间分别串接一个100mΩ的采样电阻，采样信号Usense与Vsense分别经运算放大器LMV324放大lO倍后作为采样的电流IsenseuIsensev以及过流保护电路的输入信号IsenseUPT与IsenseVPT电流检测电路如图3所示。采样电阻R1与R2设在u、V相的下桥臂，当下桥臂关断时就无法采样相电流，为了解决这个问题．在软件设计的时候，采用下溢中断，将电流采样的任务安排在一个PwM周期的开始处，在比较匹配到来之前的期间，U，V两相的上桥臂都是关断的，也就是说下桥臂是导通的，这样就可以在每个PwM周期顺利采样一次两个相电流值。我们只要知道uα和uβ，就可以知道输出电压矢量uout所在扇区，进而知道uout所对应的两个主要控制矢量以及控制时间T1、T2假设输出电压矢量uout处于零扇区，如图4所示，在一个PwM周期里，u0和u60分别作用T1和T2这个扇区内会有4种工作状态矢量，其中u0、u60。为两个主要工作矢量，而在一个PwM周期的起始和结尾处，插入零矢量即(000），sVPwM信号时序如图5所示，可看出零矢量与u0矢量时序是相邻的，且在PwM周期开始后，在有比较匹配之前，输出都是零矢量。因为电机绕组线圈呈感性，线圈上的相电流不能突变，因此从矢量u。转换到零矢量后，其对应的工作状态转换如图6a所示，其中二极管能起到续流作用，此时，下桥臂采样电阻上流过的是相电流，因此在每个PwM周期前期通过下桥臂的采样电阻检测相电流是可行的。3实验结果实验硬件部分主要由整流与电子开关换向主电路，芯片供电电源，电流检测电路，信号处理及驱动电路，压缩机负载等组成。图7为电流检测值经3／2坐标变换后，在α、β两相静止坐标系中与状态观测器估算电流的对比波形。从图中可以看出，估算电流iα较好地追踪着实际电流iα，其中估算电流沿着实际值上下振荡是滑模观测器固有的抖振现象；图8表示由位置传感器获得的转子磁链位置实测角8与无位置传感器算法获得的转子磁链位置估算角θ，从图中可以看出，估算角度和实际角度相位是一致的。图7与图8验证了电流检测电路和无位置传感器算法的准确性与可靠性。4.结语本电流检测方法以及无传感器算法在变频冰箱控制系统上的实验应用中，系统不仅具有可靠性高，响应速度快的优良调速性能，同时具有运行效率高、谐波小、噪声低的特点，可以广泛应用于绿色家电中。