无刷直流风机的无速度传感器控制

无刷直流风机的无速度传感器控制

魏晓超康敏王子辉

（浙江科技学院自动化与电气工程学院杭州310023）

摘要：基于反电势积分法实现无刷直流风机的无位置传感器矢量控制。用低通滤波器代替纯积分环节，以滤除纯积分环节带来的积分零漂，因此引入的幅值和相位误差，设计了分步补偿磁链观测器同时对幅值和相位补偿，实现电机转子位置和转速的准确观测。采用IF流频比控制实现电机低速下的自启动，同时可以实现电流可控。在状态切换时设计了电流调节器，保证从低速到中高速状态的顺利切换。最后通过实验对比表明上述控制方法可以使风机机稳定运行，鲁棒性较强。

关键词：无刷直流风机；磁链状态观测器；IF流频比控制；矢量控制

ASensorlessControlofBrushlessDCBlower

WEIXiaochao，KANGMin，WANGZihui

（SchoolofAutomationandElectricalEngineering，ZhejiangUniversityofScienceand

Technology，Hangzhou310023，Zhejiang，China）

Abstract:ThesensorlessvectorcontrolofbrushlessDCblowerbasedonback-EMFintegrationwasrealized.Alow-passfilterwasusedinsteadofapureintegrator,whichcanfilterouttheintegralzerodriftcausedbythepureintegrator.Butthelow-passfiltermaytakeintheamplitudeandphaseerrors,stepcompensationmagneticfluxobserverwasdesignedwhichcancompensatetheamplitudeandphaseatthesametimesoastorealizeaccurateobservationofrotorpositionandspeedofthePMSM.Inordertorealizeself-startingofthebrushlessDCbloweratthelow-speedIFcontrolwasusedwhichcanrealizecurrentcontrolthesametime.Thecurrentregulatorwasdesignedwhenstateswitchwhichcanguaranteesmoothswitchingfromlowspeedtomediumandhighspeed.Theexperimentalresultsverifythattheabovecontrolmethodcanmakeblowerworkstablyandthesystemhadstrongrobustness.

Keywords:BLDCblower；Fluxstateobserver；IFcontrol；Vectorcontrol

永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM）也称无刷直流电机(BrushlessDC，BLDC)，具有体积小、结构简单、功率密度高、工作效率高和动态响应速度快的优点，永磁同步电机驱动方式按照转子充磁方式的不同可分为：方波驱动和正弦波驱动，因其卓越的性能，在工业中如风机类工业等得到了广泛的应用。通过输入直流电能，驱动直流电动机旋转从而带动风机叶轮旋转的风机称直流风机。目前直流风机多采用无刷直流风机(brushlessDCblower)，工业上的外转子风机转子在外，定子在内，这种转子包围定子旋转的反置式结构，便于叶轮通过压入或焊接等方式直接安装在转子外圆上，广泛应用于净化空调、压缩制冷、管道通风等领域。外转子无刷直流风机由于除去了换相用的电刷及导电环，简化了电机结构，降低了电机本体设计的成本和运行噪声，提高了风机的机械可靠性[1]。

在永磁电机运行过程中，需要用位置传感器获取转子位置信息，满足方波控制或者正弦波控制的角度需求，但是位置传感器的存在却成为电机本体的体积设计和成本控制的障碍，而且极有可能受环境、机械振动等因素的影响而损坏。为了降低成本，以及可在一些无法正常使用机械式位置传感器的特殊场合使电机平稳运行，永磁同步电机无位置传感器控制成为近年来电控领域的热点研究课题，各种控制策略和算法的理论研究被提出。文献[2]和文献[3]对方波驱动用无刷直流电机使用反电势过零法准确的估测出转子位置实现六步换相。文献[4]利用高频旋转电压注入对内置式永磁同步电机无位置传感器矢量控制进行了研究，提出一种高频电流信号提取方案，有效的估测出转子位置。文献[5]和文献[6]将自适应滑模观测器应用于转子位置估测当中，文献[5]通过对自适应切换函数、自适应低通滤波器、转子角度估算误差补偿改进了滑模观测器，准确地跟踪了转子位置。文献[7]应用扩展卡尔曼滤波法对永磁同步电机直接转矩控制系统进行精确的参数估计。文献[8]和文献[9]提出了一种转子自启动方法，用IF控制实现低速下电机的加速，实现相电流的稳定。文献[10]设计了一种状态切换方法，实现反电势积分下低速到中高速的稳定切换。文献[11]在磁链零漂的补偿上做了改进，实现转子位置的精确估计。在永磁同步电机的无位置传感器工业应用中，反电势积分法仍是主流。然而反电势法在可中高速可以正常使用，但是在转速大概为额定转速的5%以下时，由于速度过低，无法获取足够大的反电势电压，此时磁链观测器等状态观测器所观测到的数据与真实值有很大的偏差，容易造成启动过程中转子失步或锁死。所以，为解决反电势低速下不能正常实施的情况，采用一种基于反电势积分法的低速下电流闭环，速度开环，中高速双闭环的控制策略。

1基于反电势积分法的风机无位置控制策略

1.1反电势积分转子位置估测算法

在矢量控制中，d轴通常为转子的径向轴，正方向与转子磁链方向相同，如若知道转子磁链的信息，就能够准确地确定d轴位置。PMSM设计过程中，按照转子充磁方式一般把转子磁链设计成正弦形，因此，相平面上转子磁链的轨迹是以原点为圆心的圆，在坐标系中可以表示为：

图1分步补偿磁链观测器框图

Fig.1Step-by-stepCompensationFluxObserverDiagram

1.2启动阶段的IF控制策略

在低速启动阶段，由于无法获取足够大的反电势电压，所以无法使用反电势积分来估测转子位置和转速[14]。为了解决反电势法在低速段不能正常实施的问题，本文采用电流闭环，转速开环的IF控制策略。

IF控制的基本思路是给定定子绕组电流幅值和转子电角度，给定的电流作为电流闭环的给定值，给定转子电角度假设为转子位置角，控制器的电流内环根据电流给定值和转子电角度对电机的定子绕组电流矢量进行控制。IF控制的转子位置角为给定电角度，并非真正的转子位置角，两个角之间存在一定的相位差。转子实际电角度构造为实际转子同步坐标系，给定电角度构造为虚拟同步坐标系。

图11角度估测值与相电流值图12全控制过程速度波形

Fig.11EstimateAngleandPhaseCurrentFig.12SpeedofFullControlProcess

为了验证系统可以在不同的负载要求下稳定运行，实验对风机运行在800r/min时三种不同的负载条件作了对比：（1）轻负载，将出口风完全遮挡；（2）中负载，出风口斜45°立于试验台面；（3）全负载，出风口完全朝向空气。实验过程中先将风机置于中度负载条件下，待稳定后，放置挡板置风机于轻度负载条件下，稳定后恢复到中度负载条件下。如图13所示，相电流值先减小，后不变，再增大，且风机速度经闭环后在不同的条件下很快趋于给定值800r/min，如图14、15所示。

图13中-轻-中负载角度观测与相电流值图14中度负载图15轻度负载

Fig.13EstimateAngleandPhaseCurrentofFig.14MidLoadFig.15LightLoad

Mid-Light-MidLoad

风机恢复到中度负载条件下后，待稳定运行，之后将出风口整个朝向空气，稳定运行后恢复到中度负载条件下。如图16所示，相电流值先增大，后不变，再减小，且风机速度在中-重负载条件下速度很快趋于给定值800r/min，如图17、18所示。经过不同负载条件验证，整个风机系统稳定性良好，鲁棒性较强，控制性能良好，可以满足不同负载下的需求。

图16中-重-中负载角度观测与相电流值图17中度负载图18重度负载

Fig.13EstimateAngleandPhaseCurrentofFig.14MidLoadFig.15HeavyLoad

Mid-Heavy-MidLoad

3结论

本文主要研究了无刷直流风机无位置传感器驱动控制策略，实验表明：IF控制下实现风机平滑启动，实现电流可控；设计的低通滤波器补偿环节可以很好的估测转子位置和转速，在高速状态下能够稳定运行。

对比不同负载条件下风机的运行情况，系统响应和稳定性良好。

参考文献:

[1]刘汉华.风机用永磁无刷直流电机的设计与性能分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

[2]张云亮，莫伟智，赵玫.永磁无刷直流电机无传感器控制系统的设计[J].机电工程技术,2017,46(1):71.

[3]曾丽，吴浩烈，肖莹.基于DSP的无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计[J].微电机,2010,43(10):63.

[4]张伯择，阮毅.基于高频旋转电压注入的永磁同步电机无位置传感器矢量控制[J].电机与控制应用,2016,43（7）12.

[5]尚品，赵荣祥，窦汝振.基于自适应滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制研究[J].中国电机工程学报，2007.27（3）：23.

[6]李雪恺，陈勇，张鑫彬等.自适应滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制[J].兵工自动化,2016,35(9):73.

[7]陈振，刘向东，靳永强，等.采用扩展卡尔曼滤波磁链观测器的永磁同步电机直接转矩控制[J].中国电机工程学报，2008.28(25):75.

[8]王子辉，叶云岳.反电势算法的永磁同步电机无位置传感器自启动过程[J].电机与控制学报,2011,15(10):36.

[9]KIMJS,SULSK.Newapproachforthelow-speedoperationofPMSMdriveswithoutrotationalpositionsensors[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2002,11(3):512.

[10]张耀中，黄进，康敏.永磁同步电机无传感器控制及其启动策略[J].电机与控制学报，2015,19(10):1.

[11]刘刚，肖烨然，孙庆文.基于改进反电势积分的永磁同步电机位置检测[J].电机与控制学报,2016,20(2):36.

[12]卢亨宇，刘彦呈，郭昊昊，程世超.基于零漂修正和偏置补偿的定子磁链观测算法[J].微特电机,2017(12):49.

[13]操张鹏，廖勇，李福双.低通滤波器法改进电压型定子磁链观测器研究[J].电工电能新技术,2015(3):35.

[14]秦峰，贺益康.永磁同步电机转子位置的无传感器自检测[J].浙江大学学报:工学版.2004.38(4):465.

[15]WANGZ,LUK,BLAABJERGF.ASimpleStartupStrategyBasedonCurrentRegulationforBack-EMF-BasedSensorlessControlofPMSM[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2012,27(8):3817.

通信作者：康敏（1980—），男，浙江杭州人，副教授，博士，主要从事电气传动控制研究。E-mail:kkkmin@yeah.net。