基于信号与能量分频复合的无刷直流电机转子位置检测与特异性设计

It is a serious challenge to the position sensorless brushless DC motor in full speed range with high operating reliability. Based on the idea of transmitting signal and energy by frequency division, the project proposed a novel position detecting method for sensorless brushless dc motor (BLDCM), which detecting signals send to power cable by an independent signal source and a coupled circuit. Thus the frequency of detecting signals can increase effectively. The coupled field-circuit model is built for frequency response analysis by using finite element software, and with the model, analyzing the relationship between the transient responses and rotor position under different detecting signals. The project explores the influence mechanism of detecting signals to position accuracy, operating stability and power loss, and achieves the optimization of detecting signals. The anti-harmonic interference solutions will be researched to help the realization of the detection device. In order to further improve motor performance, and increase the inductive reactance difference between quadrature-axis and direct-axis, the specific design of motors will be studied. This project suggests a new way of thinking about position detecting method for sensorless BLDCM, and it benefits the reliable operation of motors in a harsh environment.

全速域高可靠性运行对无刷直流电机无位置传感器控制提出了严峻挑战。本项目基于信号与能量分频复合传输的思想，提出无刷直流电机新型转子位置检测方法，检测信号通过独立的信号源和耦合电路发送，其信号频率可有效提高。通过建立无刷直流电机有限元场路耦合频率响应分析模型，研究多种不同检测信号作用下无刷直流电机瞬态响应与转子位置的关系；通过研究检测信号对电机位置准确性、运行稳定性、功率损耗的影响机制，实现对检测信号参数的优选；通过研究抗谐波干扰的解决方案，设计实现了转子位置检测装置；最后对电机本体进行了特异性设计，进一步提高电机性能，同时增大交直轴感抗差异。项目为无刷直流电机转子位置检测提供了新的思路，有利于在恶劣环境下实现电机的可靠运行。

无刷直流电机具有结构简单、运行可靠、效率高等优点，被广泛应用到航空航天、轨道交通、汽车电子和家用电器等领域。由于安装空间受限等原因，一些应用场合下电机无法安装转子位置传感器。无位置传感器情况下，无刷直流电机的宽速域高可靠起动和运行控制是重要技术挑战。本项目基于信号与能量分频复合传输的思想，提出无刷直流电机新型转子位置检测和控制方法。通过理论建模、仿真分析、优化设计、实验研究等途径深入揭示了位置检测原理和工作特性，实现了复杂运行工况下电机转子位置的精确检测。主要研究内容和成果包括：针对静止状态下无刷直流电机无反转稳定起动问题，提出基于高频信号耦合注入的转子初始位置检测方法，通过耦合的方式向电机绕组注入高频检测信号来检测三相绕组电感大小关系，进而确定转子位置，降低了电机转子在初始位置检测过程中发生误动作的可能性；针对高速重载工况下永磁无刷直流电机换相续流时间较长，有时甚至换相失败的问题，构造了阈值直接对应电机换相信号、与转速无关的反电势函数，提出基于反电势函数的永磁无刷直流电机无位置传感器控制方法，解决了高速重载工况下的无位置传感器控制问题；针对无位置传感器情况下，电机可靠运行转速范围较窄的问题，构造了与转子位置无关的磁链函数，确定了磁链函数值与换相时刻的关系，提出基于磁链函数的无位置传感器控制方法，与传统方法相比，能够在拓宽转速范围的同时，减小换相误差。本项目形成了较为系统的无刷直流电机无位置传感器控制理论和方法，构建了无刷直流电机及其驱动控制系统样机和实验平台，相关研究在增大电机起动转矩、避免起动反转、提升高速重载运行性能、拓宽可靠运行转速范围、实现故障下容错运行等方面具有较强的工程应用价值和广阔的应用前景。