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BLDC无位置传感器控制技术
2014.11.12
duguqiubai1234@163.com
BLDC电机是一种结合了直流电机和交流电机优点的改进型电机。其转子采用永磁材料励
磁,体积小、重量轻、结构简单、维护方便。BLDC电机又具有控制简便、高效节能等一系列
优点,已广泛应用于仪表和家用电器等领域。
本文主要讨论高压BLDC风机无位置传感器起动和运行技术。
一、无位置传感器技术简介
BLDC电机最简单的控制方法是安装三个位置传感器,使用六步换相法控制。但传感器器
会增大电机的体积和成本,另外传感器的位置精度影响电机的运行;特别对于极对数较多的
电机,传感器偏差少许机械角度也可能引起电角度偏差很多。在某些恶劣环境下,如高温、潮
湿、腐蚀性气体等环境,传感器易损坏,因而无法使用。
使用无位置传感器方式则可以克服上述缺点。
无传感器BLDC在性能上也存在一些不足:
(1)难以实现重负载(例如额定转矩)起动。好在风机属于轻负载起动的情况。
(2)难以快速起动。例如很难实现1秒内从静止加速到全速。好在风机通常不要求很短
时间内完成加速。
(3)无法实现全速范围内任意调速。有传感器BLDC能够实现0%~100%额定转速范围
内的调速,而无传感器BLDC通常只能实现10%~100%额定转速范围内的调速。好在风机通
常不要求10%额定转速以下运行。
经过以上分析,可以看出风机非常适合使用无位置传感器方式控制。
国内高压无位置传感器BLDC技术仍处于不成熟阶段。使用该技术的产品应以稳定可靠
为主要要求,而不是以性能优越为主要要求。高压无传感器BLDC如果追求性能优越,则成
本太高,技术难度过大。
风机类产品通常起动后连续工作时间较长,所以通常不要求快速起动,不也要求反复起
停。
风机类产品10%以下额定转速将造成风量过小,所以通常也不会要求10%额定转速以下
运行。
无传感器BLDC起动时需要锁定转子、外同步加速(开环加速)等过程,所以起动较慢;
起动过快易造成失败,所以通常不宜要求无传感器BLDC做快速起动。
二、虚拟中性点法过零检测电路
无位置传感器BLDC控制器的虚拟中性点法过零检测电路见图1。
UVW三相电压经电阻分压变为COMP_U、COMP_V、COMP_W。DUM_MID是虚拟中
性点。ZCP_U、ZCP_V、ZCP_W是过零信号。
图1
对于230VAC输入的系统,直流母线电压为320V。
UVW的电压峰值都是320V,而比较器接受15V以下信号。所以UVW需经电阻分压才
能使用。
UVW分压电路上的电阻很大,通常数百KΩ。这使虚拟中性点法过零检测电路成为一个
弱信号电路,极易受到干扰,布板时尤其要注意这一点。
布板时应尽量使虚拟中性点电路远离强电电路,并注意三相布线的对称性。
对于低速电机,虚拟中性点电路的滤波电容应取较大值,可取2.2nF或更大;对于高速电
机,电容应取较小值,可取1nF或更小。
三、三段式起动方法
三段式起动方法是无位置传感器BLDC的常用起动方法。
起动过程包括转子锁定、外同步加速、自同步运行。
转子锁定:给UVW中的某两相通电,转子将被牵引至一个固定位置。
转子锁定的意义:转子锁定后,转子位置变为已知,便于控制。
外同步加速:外同步加速完全是一个开环运行的过程。在未知转子位置的情况下,按一
定规律换相,换相时间间隔逐渐缩短(也就是加速)。加速到一定阶段时,比较器输出易识别
的过零信号,此时可以进入自同步运行阶段。
外同步加速阶段的步数不宜太少也不是太多。太少,电机转速不够高,不能产生易识别
的过零信号。太多,其中错误的加电节拍会比较多,容易产生电流尖峰,容易产生“咔咔”
声和卡顿感,容易造成失步。通常外同步加速的步数为2步至8步。
自同步运行:通过比较器输出信号识别出转子位置,根据转子位置通电和换相。
四、过零检测电路的比较器输出信号分析
比较器输出的信号波形可分为图2中(a)(b)(c)三种情况:
说明:图2
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