外轉(zhuǎn)子無刷直流電動機(jī)無位置傳感控制技術(shù)研究

姜衛(wèi)東，趙 勇，邢 棟，汪正玲

(合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥230009)

0引 言

無刷直流電動機(jī)運(yùn)行時需要采用位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子磁場位置信號［1］，并利用其輸出信號，通過電子換相電路，按照一定的邏輯順序去導(dǎo)通功率器件，驅(qū)動電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的位置傳感器件如霍爾元器件、旋轉(zhuǎn)變壓器等需要裝配在電機(jī)內(nèi)部來檢測轉(zhuǎn)子位置信號，由于特殊的電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其安裝和維修都極其的不方便。因此無刷直流電動機(jī)無位置傳感技術(shù)的研究日益受到人們的關(guān)注，而反電勢法是諸多無位置傳感控制技術(shù)中比較成熟的一種方法，本文提出的改進(jìn)的反電勢法所需的硬件簡單，控制精確、穩(wěn)定，通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)證明該方法是正確、有效的。

1無刷直流電動機(jī)運(yùn)行原理

本文以星形連接、兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)無刷直流電動機(jī)為研究對象，圖1為無刷直流電動機(jī)控制原理框圖，逆變器件以PWM調(diào)制方式工作，控制器以Freescale 56F8013為核心。

對于三相六狀態(tài)120°導(dǎo)通方式，各功率管的導(dǎo)通順序是 S0S3、S0S5、S2S5、S2S1、S4S1、S4S3，當(dāng)導(dǎo)通功率管S0S3時，電流經(jīng)S0管從A相流入，從B相流出，經(jīng)S3管回到電源的負(fù)母線，此時在電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這樣在上述六個狀態(tài)的循環(huán)輪流導(dǎo)通下，轉(zhuǎn)子不斷的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。改變各功率管的導(dǎo)通順序就可以改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

圖1 無刷直流電動機(jī)控制原理框圖

2“反電勢法”位置檢測的實(shí)現(xiàn)

2．1“反電勢法”無刷直流電動機(jī)控制原理

對于兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)的無刷直流電動機(jī)來說，當(dāng)給任意兩相的繞組通電后，定子繞組中的電流將會產(chǎn)生合成磁場，合成磁場將會使電機(jī)的轉(zhuǎn)子在某個方向產(chǎn)生一定角度的轉(zhuǎn)動。而當(dāng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的時候，由于無刷直流電動機(jī)定子繞組的存在，將會因切割導(dǎo)體磁力線的作用而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，且方向與繞組中流過的電流方向相反，所以稱之為反電動勢或反電勢。對于理想狀態(tài)下的電機(jī)磁場波形基本上為方波，如圖2所示［2］。

圖2 方波氣隙磁場分布

如果無刷直流電動機(jī)的氣隙磁場的波形為方波且定子繞組為集中整距繞組時，在不考慮其他因素的情況下，電機(jī)的感應(yīng)電動勢為梯形波，如圖3所示［2］。

圖3 梯形波反電勢與方波電流

在不考慮其他因素的情況下，反電勢過零點(diǎn)出現(xiàn)后的π/6電角度即是無刷直流電動機(jī)的換相時刻。理想狀態(tài)下無刷直流電動機(jī)三相反電勢波形圖如圖4所示。

圖4 理想狀態(tài)下無刷直流電動機(jī)三相反電勢波形圖

由圖3和圖4可知，如果想準(zhǔn)確地判斷出轉(zhuǎn)子的位置，反電勢過零點(diǎn)的檢測就必須準(zhǔn)確及時。當(dāng)檢測到過零點(diǎn)信號后，通過軟件將過零點(diǎn)信號延時π/6電角度后，就可獲得電機(jī)的換相信號，根據(jù)換相信號導(dǎo)通相應(yīng)的功率管就可以實(shí)現(xiàn)無刷直流電動機(jī)的換相，驅(qū)動無刷直流電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此即為反電勢過零點(diǎn)法實(shí)現(xiàn)的依據(jù)。

2．2傳統(tǒng)“反電勢法”控制原理

傳統(tǒng)的“反電勢法”是搭建虛擬的電機(jī)中性點(diǎn)，然后將電機(jī)的三相相電壓分壓后與虛擬中性點(diǎn)比較，輸出的信號即為反電勢的過零點(diǎn)信號。但分壓后的相電壓信號不可避免地帶入了控制系統(tǒng)中功率管開通和關(guān)斷時產(chǎn)生的毛刺、PWM斬波、電磁噪音等干擾，如果不處理，將會使輸出產(chǎn)生虛假的過零點(diǎn)信號，所以需對輸入信號進(jìn)行低通濾波，傳統(tǒng)的“反電勢法”過零檢測電路如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)“反電勢法”過零檢測原理框圖

傳統(tǒng)“反電勢法”方法原理和檢測電路都比較簡單，因而較容易實(shí)現(xiàn)。但是在開關(guān)管高頻PWM時，容易引入很高的共模電壓和高頻噪聲，且由于引入了低通濾波，易使在不同的轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生不同的信號移相，位置檢測不準(zhǔn)確。并且由于在轉(zhuǎn)速較低、反電勢很小的情況下，檢測電路很難準(zhǔn)確地檢測出反電勢過零點(diǎn)，所以電機(jī)的調(diào)速范圍有一定的限制。

2．3改進(jìn)的“反電勢法”控制原理

改進(jìn)“反電勢法”的控制原理與傳統(tǒng)“反電勢法”是基本相同的，都是檢測反電勢過零點(diǎn)信號，只不過它將傳統(tǒng)“反電勢法”中的分壓電阻改為反并的二極管，通過二極管的正相導(dǎo)通、反相截止原理可以準(zhǔn)確地將繞組反電勢過零點(diǎn)檢測出來，檢測原理圖如圖6所示，圖中，R為串入的限流電阻，r為電機(jī)內(nèi)阻。

圖6 改進(jìn)的“反電勢法”過零檢測原理框圖

將分壓電阻改為反并的二極管后，可以不用考慮在不同反電勢下的電阻分壓比，流入比較器的電壓始終是一個二極管的壓降，避免了因?yàn)榉措妱蓦妷鹤兓鴰淼木炔粶?zhǔn)確的誤差。而傳統(tǒng)的“反電勢法”阻值分壓比一般是按照最高反電動勢來設(shè)計(jì)的，這就不可避免地出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速低、反電勢小的情況下位置檢測難實(shí)現(xiàn)、不準(zhǔn)確的問題，而采用的反并二極管可以很好地避免這個問題，在很低轉(zhuǎn)速下都可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)位置檢測的功能，所以可以實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)速功能，轉(zhuǎn)速n=40 r/min的實(shí)測的三相檢測信號如圖7所示。需要注意的是，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)在串入反并的二極管后，由于二極管壓降的存在，會導(dǎo)致檢測到的位置信號比過零點(diǎn)信號滯后一個固定的電角度，在軟件延時時需要做一定的補(bǔ)償。

圖7 轉(zhuǎn)速為40 r/min下實(shí)測的三相檢測信號

3系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

由于本控制系統(tǒng)采用的是無位置傳感器設(shè)計(jì)方案，因此檢測電路正確及時地檢測到轉(zhuǎn)子位置信號是非常重要的。系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)思想主要分為轉(zhuǎn)子定位、開環(huán)起動、閉環(huán)控制三個步驟。電機(jī)的起動是通過發(fā)固定脈沖，按逆時針轉(zhuǎn)動方向輪流的導(dǎo)通開關(guān)管使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)獲得電機(jī)的過零點(diǎn)信號后電機(jī)切換為自同步運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)，驅(qū)動電機(jī)穩(wěn)定工作，主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以一臺額定電壓三相380 V、額定功率1．7 kW、額定轉(zhuǎn)速1 200 r/min、額定轉(zhuǎn)矩14 N·m，八極外轉(zhuǎn)子無刷直流電動機(jī)為樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，利用MAGTROL測功機(jī)給無刷直流電動機(jī)做負(fù)載性試驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)證明采用上述無位置傳感控制技術(shù)，電機(jī)系統(tǒng)起動平穩(wěn)，無振動和失步現(xiàn)象，調(diào)速范圍為20～1 200 r/min，樣機(jī)和控制器測試平臺以及實(shí)驗(yàn)波形如圖9～圖12所示。

圖9 樣機(jī)和控制器測試平臺

圖10 三相檢測信號與反電勢波形

圖11 電機(jī)空載運(yùn)行時電流波形

圖12 電機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時電流波形

5結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)過程中觀測到的波形與理論分析基本符合一致。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，整個控制系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了對無位置傳感器無刷直流電動機(jī)的起動和穩(wěn)定調(diào)速，電機(jī)在滿載情況下的運(yùn)行情況也比較理想。無位置傳感器無刷直流電動機(jī)可在惡劣的工作環(huán)境下工作，受干擾比較小，可靠性高，成本較低，具有廣闊的市場前景。

［1］ 黃玉，王劍，陳瑜．無刷直流電機(jī)的新型轉(zhuǎn)子位置檢測方法［J］．山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2003，33(3):287-291．

［2］ 鄭許峰．“直接反電勢法”無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究［D］．南京:東南大學(xué)，2006．

［3］ 陳新，吳崇理．DSP56800E控制器原理及其應(yīng)用［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2007．

［4］ 王興華，勵慶孚．永磁無刷直流電機(jī)空載氣隙磁場和繞組反電勢的解析計(jì)算［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報，2003，3(23):126-130．

［5］ 陳磊，高宏偉，柴鳳．小型無刷直流電動機(jī)振動與噪聲的研究［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報，2006，26(24):148-151．

［6］ Cifuentes A O，Kalbag A．A performance study of tetrahedral and hexahedral elements in 3-D finite element structural analysis［J］．Finite Element in Analysis＆ Design，1992，12(3-4):313-318．

［7］ 黃平林，胡虔生，余莉．集中繞組永磁無刷直流電機(jī)電樞反應(yīng)及繞組電感的解析計(jì)算［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25(12):127-132．

［8］ Yamazaki K．A Quasi formulation for analyzing characteristics of induction motors with skewed slots［J］．IEEE Transactions on Magnetics，1998，34(5):3624-3627．

［9］ Valtonen M S M，Parviaiene D S A，Pyrhānen J．Electromagnetic filed analysis of 3D structure of axial-flux solid-rotor induction motor［C］//International Symposium on Power Electronics，Electrical Drives，Automation and Motion．Taormina，Italy，2006．

［10］ 唐任遠(yuǎn)．現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997．