Analyse der Positionsschätzung für bürstenlose Gleichstrommotoren

Durch Platzieren der Hall-Sensoren eines bürstenlosen Gleichstrommotors gegenüber dem durch die Welle oder Rotorverlängerung gebildeten Magnetrad kann die Position des Rotors erkannt werden. Dies liefert jedoch nur genügend Kommutierungssignale, was bei einem dreiphasigen bürstenlosen Motor sechs Signale pro elektrischem Zyklus bedeutet. Diese wenigen diskreten Impulse reichen für Hochleistungsanwendungen nicht aus. Optische Encoder und Drehtransformatoren können hochauflösende Rotorpositionssignale liefern, sind jedoch relativ teuer und erfordern erhebliche Installationsvorbereitungen. Aus Kosten- und Fertigungsgründen müssen sie bei groß angelegten Anwendungen weggelassen werden. Es gibt viele Methoden, um Kommutierungssignale abzuschätzen. Im Folgenden werden sie kurz zusammengefasst:

(1) Schätzung mithilfe des bürstenlosen Gleichstrommotormodells:

Durch die Nutzung externer Ströme und Spannungen zusammen mit Motorparametern wie Widerstand, Induktivität und Gegeninduktivität kann die induzierte elektromotorische Kraft aus dem Modell eines bürstenlosen Gleichstrommotors gewonnen werden. Der Vorteil dieser Methode ist die Extraktion isolierter Signale, da Strom- und Spannungseingänge von Natur aus isolierte Signale sind. Schwankungen in der DC-Busspannung können anhand der Parameter des DC-Busfilters und des DC-Busstroms geschätzt werden. Die Empfindlichkeit von Parametern, insbesondere des Statorwiderstands, kann zu Fehlern bei der Schätzung der induzierten elektromotorischen Kraft führen, was zu ungenauen Kommutierungssignalen an den Wechselrichter führt.

(2) Induzierte elektromotorische Kraft von Sensorspulen:

Der Einbau von Sensorspulen in einen bürstenlosen Gleichstrommotor ist kostengünstig, um Signale der induzierten Gegenelektromotorischen Kraft zu erhalten. Der Vorteil liegt in relativ vollständigen Signalen, Parameterunempfindlichkeit und elektrischer Isolierung. Zu den Nachteilen gehören jedoch Herstellungsprozesse und zusätzliche Verkabelung vom bürstenlosen Gleichstrommotor. Beispielsweise ist er aufgrund der Dichtungsanforderungen nicht zum Antrieb von Kühlschrankkompressormotoren geeignet.

(3) Nutzung stromloser Phasen zur Gewinnung von Gegen-EMK:

Eine gängige Methode zum Abrufen von Positionsinformationen besteht darin, die induzierte gegenelektromotorische Kraft der Motorphasenwicklung zu überwachen, wenn die Phasenwicklung stromlos ist. Beachten Sie, dass zu einem beliebigen Zeitpunkt nur zwei Phasen des bürstenlosen Gleichstrommotors leitend sind und eine Phase 3,33% lang stromlos ist. Während dieser Zeit tritt in den Wicklungen des Motors eine induzierte gegenelektromotorische Kraft auf, die erkannt werden kann. Die Polarität der induzierten gegenelektromotorischen Kraft bestimmt die entsprechende Polarität des in den bürstenlosen Gleichstrommotor eingespeisten Stroms. Um nicht warten zu müssen, bis die induzierte gegenelektromotorische Kraft einen stabilen Bereich erreicht, um eine Phase des Motors zu aktivieren, wird aus der induzierten gegenelektromotorischen Kraft ein spezieller Wert ermittelt, der 30° vom Nulldurchgangsmoment entfernt ist. Die Ausgabe des Integrators entspricht 30° vom positiven Nulldurchgang entfernt, was als Schwellenwert für die Aktivierung einer Phase bezeichnet wird.

Unter der Annahme einer trapezförmigen Wellenform der induzierten gegenelektromotorischen Kraft ist der Spitzenwert EP, wenn die elektrische Rotordrehzahl Wb beträgt. Die Steigung des ansteigenden Teils der induzierten gegenelektromotorischen Kraft bei jeder Drehzahl kann durch das Verhältnis der Spitzenspannung bei dieser Drehzahl zum Zeitintervall angegeben werden, das 30° des elektrischen Winkels entspricht.

Obwohl die Sensorausgangsspannungen unterschiedlich sind, kann entsprechend nachgewiesen werden, dass dieser Algorithmus auch auf bürstenlose Motoren mit sinusförmiger Gegenelektromotorischer Kraft anwendbar ist. Beachten Sie, dass die Sensorausgangsspannung konstant und unabhängig von den Parametern des bürstenlosen Motors ist und ihre Größe bei jeder Geschwindigkeit gleich ist. Der einzige mögliche Nachteil der Sensorausgangsspannung liegt in den Temperatureigenschaften des Rotorpermanentmagneten, die den Rotormagnetfluss verringern, was zu einer Verringerung des Spitzenwerts der induzierten Gegenelektromotorischen Kraft führt. Dies kann zu Fehlern führen, sodass die Erregung 30° vom elektrischen Nulldurchgangswinkel entfernt möglicherweise nicht genau wie erforderlich erfolgt. Ohne zusätzliche Kalibrierungsmaßnahmen können bürstenlose Gleichstrommotoren möglicherweise nicht optimal genutzt werden.

(4) Dritte Harmonische der Gegen-EMK:

Eine alternative Methode besteht darin, die 3. Harmonische der induzierten Gegenelektromotorischen Kraft in den Motorwicklungen zu erfassen und sie zur Erzeugung von Steuersignalen zu verwenden. Ein dreiphasiges, sternförmig angeschlossenes Vierleitersystem ermöglicht die Erfassung der 3. Harmonischen der induzierten Gegenelektromotorischen Kraft und kann mit vier Widerständen kostengünstig gemessen werden.

(5) KI-basierte Steuerungsmethoden:

Intelligente Steuerungen wie neuronale Netze oder Fuzzy-Regler können die Rotorposition oder die Kommutierungsposition aus Variablen des bürstenlosen Gleichstrommotors wie Strom und magnetischem Fluss extrahieren. Sie extrahieren lediglich Rückkopplungsinformationen aus Variablen, die möglicherweise Informationen zur Rotorposition oder zu Kommutierungsbedingungen enthalten. Diese Technologien sind adaptiv und ermöglichen eine kontinuierliche Optimierung durch Selbstlernen im Laufe der Zeit. Mit der zunehmenden Geschwindigkeit aktueller Prozessoren wird die Programmierung von Steuerungen für praktische Anwendungen praktikabler. Der größte Nachteil dieser Steuerungen besteht darin, dass neuronale Netzsteuerungen vor dem Betrieb vorab gelernt werden müssen. Sie können Offline-Selbstlernfunktionen bereitstellen.

Alle Methoden, die auf induzierter Gegenelektromotorik beruhen, haben den Nachteil, dass im Stillstand keine Positionsinformationen erhalten werden können, da bei einer Geschwindigkeit von null keine induzierte Gegenelektromotorik vorhanden ist. Selbst bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten kann die induzierte Gegenelektromotorik möglicherweise nicht leicht erkannt werden. Um einen bürstenlosen Gleichstrommotor erfolgreich auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu starten und bei dieser Geschwindigkeit mithilfe von Methoden der induzierten Gegenelektromotorik zuverlässig Positionsinformationen zu generieren, muss daher eine Methode zum Generieren von Steuersignalen bei einer Geschwindigkeit von null und in der Nähe davon enthalten sein. Daher ist ein Startvorgang erforderlich, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor stillsteht. Dieser Vorgang kann aus zwei Schritten bestehen, die im Folgenden näher erläutert werden:

Schritt 1: Wenn Sie eine oder zwei Phasen mit Strom versorgen, kann sich der Rotor an einer vorbestimmten Rotorposition ausrichten. Auf diese Weise ist die Anfangsposition bekannt und es können korrekte Startsteuersignale generiert werden. Bis sich der Rotor bei niedrigeren Geschwindigkeiten zu bewegen beginnt, ist die induzierte gegenelektromotorische Kraft sehr gering und kann nicht zur Generierung von Kommutierungsimpulsen verwendet werden, bis der Rotor eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht hat. Der zweite Schritt ist erforderlich, um den Startvorgang abzuschließen.

Schritt 2: Sobald sich der Rotor zu bewegen beginnt, wird die Statorphasenwicklung mit einer langsam variierenden Frequenz erregt, um den Statorstrom konstant zu halten. Die Frequenzänderungsrate wird niedrig gehalten, um die Synchronität aufrechtzuerhalten, und wenn die Last bekannt ist, kann sie entsprechend gesteuert werden. Wenn sie unbekannt ist, wird wiederholt mit der Statorfrequenz experimentiert, bis sie eine Mindestgeschwindigkeit erreicht, bei der die Amplitude der induzierten gegenelektromotorischen Kraft zur Steuerung ausreicht. Dies stellt den zweiten Schritt des Startvorgangs dar. Das Problem bei dieser Methode ist ihre mangelnde Präzision, da während des Startvorgangs ein gewisses Zittern und Vibrationen zu spüren sind, was in vielen Anwendungen möglicherweise nicht sinnvoll ist. In vielen Fällen kann der erste Schritt übersprungen werden, und nur der zweite Schritt wird zum Starten des bürstenlosen Gleichstrommotors verwendet.

Mikrocontroller-Lösungen:

Auf dem Markt sind viele Mikrocontrollerlösungen zur Steuerung bürstenloser Gleichstrommotoren erhältlich, darunter Strategien für den sensor- und sensorlosen Betrieb, einschließlich des Startvorgangs. Sie sind im Niederspannungsbereich von 12-48 V sehr beliebt und decken ein breites Anwendungsspektrum ab. Bei bürstenlosen Motorantrieben für Hochspannungsbereiche ist Vorsicht geboten, da das Schaltrauschen erheblich wird und in solchen Umgebungen robuste Steuerungsmethoden erforderlich sind. Im Hochspannungsbereich werden herkömmliche Steuerungsprodukte hauptsächlich durch digitale Signale oder andere Formen der Mikroprozessorsteuerung gesteuert.

Die Nutzung der Polausprägung für Permanentmagnet-Synchronmotoren und die Verwendung von Signalinjektion zur Ermittlung der Induktivität ist eine weitere Technik zur Ermittlung der Rotorposition, die bei der Anwendung von bürstenlosen Gleichstrommotoren erörtert werden muss. Sie bietet keine große Hilfe für bürstenlose Gleichstrommotoren, da es keinen klaren Unterschied zwischen oberflächenmontierten und innenliegenden Permanentmagnetmotoren gibt. Beachten Sie, dass das Signal