新直流電動機的換向策略研究

陳敏祥，汪全虎，王宗培

(1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027;2.珠海運控電機有限公司，廣東珠海519000)

0 引言

電樞反應是直流電機的核心問題，它對電機性能及換向有重要影響。有刷直流電機的機械換向與新直流電機(本研究稱New DCM)的電子換向有根本的區(qū)別，因此電樞反應對二者的影響也是不同的。有刷電機有獨立的換向回路，主電路始終連接在正、負電源上，在延時或超前換向時會產(chǎn)生換向火花，交軸電樞反應使氣隙磁場發(fā)生嚴重畸變，使物理中心線產(chǎn)生偏移。New DCM 的換向會改變繞組電路的拓撲結(jié)構(gòu)，電樞反應改變氣隙磁場的分布，進而對換向和繞組電流(本研究稱換向單元電流)產(chǎn)生很大影響。

文獻［1-3］提出了New DCM 的設想，New DCM 具有傳統(tǒng)有刷直流電機的電樞繞組結(jié)構(gòu)，采用電子換向器換向。文獻［4-5］詳細介紹了9 換向單元New DCM 原理結(jié)構(gòu)，以及其樣機實測機械特性曲線。文獻［6-8］建立了New DCM 仿真模型，并對New DCM 仿真特性進行了深入介紹。但是以前對New DCM 的研究集中在電機結(jié)構(gòu)和原理性的分析，對于其換向問題還沒有深入研究。文獻［9-10］分析了New DCM 的電樞反應時電樞電路情況。本研究在已有研究基礎上對New DCM 的換向問題進行分析，提出提前導通換向方法來改善換向狀況。

本研究以9 換向單元New DCM 和特定的電子換向器為例，在介紹其電樞繞組結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎上，研究電機負載氣隙磁場的分布，分析電樞反應對換向和繞組電流的影響。

1 New DCM 工作原理

筆者研究的New DCM，永磁轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)p=2，定子槽數(shù)Z=18，每對極下對應9 個槽，槽距角為40°電角度，線圈節(jié)距y1=4。在一對磁極范圍內(nèi)有9 個繞組元件，將二對極下處于相同磁場位置的9 個繞組元件采取并聯(lián)的接法，合成總共只有9 個換向單元，它相當于傳統(tǒng)直流電動機電樞的迭繞組。整個電樞繞組的9 個換向單元首尾相連成環(huán)形結(jié)構(gòu)，相鄰換向單元在空間上相差40°電角度。電子換向器為9 相橋式電路，9 個換向單元的引出端依次連接到橋式電路的中點，電子換向器示意圖如圖1所示。電樞繞組內(nèi)電流分布的要求決定了功率開關管的通斷狀態(tài)，對于直流電樞繞組來說應使電樞表面一個極距范圍內(nèi)的電流為同一方向，相鄰極距范圍內(nèi)為反方向。

圖1 電子換向器示意圖

New DCM 的轉(zhuǎn)子位置檢測由9 個Hall 元件來實現(xiàn)，根據(jù)檢測到轉(zhuǎn)子位置信號，產(chǎn)生18 個功率管導通信號，每個時刻只有一個上橋功率管和一個下橋功率管導通。9 換向單元New DCM 一個電周期內(nèi)有18 個通電狀態(tài)，其順序依次是或者相反(取決于電機的旋轉(zhuǎn)方向)，使得反電勢瞬時值為正的換向單元內(nèi)電流為正，反電勢瞬時值為負的換向單元內(nèi)電流為負，任何一個換向單元的反電勢瞬時值過零時，都應改變該換向單元內(nèi)電流的方向，相當于有刷電機的碳刷放在幾何中心線上。更詳細的九換向單元New DCM 的工作原理見文獻［11-12］。

2 New DCM 的電樞反應

與直流電機類似，New DCM 空載運行時，氣隙磁場由永磁體建立，此時氣隙中主磁場磁通密度的分布如圖2 中Bf所示，其中一個換向單元的軸線與d 軸重合時，與其對應的Hall 正好在q 軸上，此時換向單元的反電勢為零，Hall 信號翻轉(zhuǎn)，該換向單元進行換向。

電機Hall 狀態(tài)的改變只與轉(zhuǎn)子位置有關，但是換向單元的反電勢與氣隙磁通密度的分布有關，與有刷直流電機一樣，電機負載運行時，電機的磁場由勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同產(chǎn)生，所以負載時氣隙磁場的分布與空載時會有比較大的區(qū)別。電樞電流產(chǎn)生的電樞磁場對主極勵磁磁動勢建立的氣隙磁場產(chǎn)生影響，使氣隙磁場發(fā)生畸變。New DCM 在帶負載運行時，氣隙磁通密度波形也會因為電樞反應變得畸形，因此需要對帶負載運行時的電樞反應對電機性能的改變進行分析。

假設:①磁路不飽和;②氣隙均勻，不考慮鐵芯開槽的影響;③支路電流是直流。則可以畫出負載時磁通密度波形如圖2所示。由Bδ曲線可得到:由于電樞反應的影響，負載時的電勢過零點由如圖所示a 點移到了b 點，這個角度為α，隨著負載加大，電樞電流相應地會增加，使得這個角度也會相應增加。Hall 信號翻轉(zhuǎn)時刻只與轉(zhuǎn)子位置有關，即Hall 信號翻轉(zhuǎn)時刻應該在a 點處因此當Hall 狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時，其對應換向單元的反電勢已經(jīng)提前換向。這與有刷電機碳刷沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向移動一個角度類似，負載時的換向是滯后換向，換向時間滯后反電勢過零點α 度。

圖2 負載時氣隙磁通密度波形

3 考慮電樞反應的電樞電路分析

電樞反應不會改變有刷電機的主電路，因此在進行有刷電機的穩(wěn)定分析時，一般不去考慮電樞反應對電機電路的影響。New DCM 采用本研究如圖1所示的電子換向器，電樞反應將會對電樞電路結(jié)構(gòu)和電機性能產(chǎn)生比較大的影響，因此需要分析電樞反應時的電樞電路。

圖3 考慮電樞反應時的電樞電路

與有刷電機類似，New DCM 換向單元中反電勢瞬時值為正的換向單元在一條支路，反電勢為負的換向單元在另一條支路，這樣恰好和有刷直流電機電樞情況類似，因此，類比于有刷直流電機，可以得到New DCM電樞反電勢和電磁轉(zhuǎn)矩表達式。反電勢表達式為:

式中:ei—換向單元反電勢;Ce—電動勢常數(shù);φ—磁通，Wb。

電磁轉(zhuǎn)矩可表示為:

式中:Ia—電樞總電流;CT—轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

不考慮電樞反應時，樣機有9 個換向單元，工作時分成二條支路，每條支路串聯(lián)換向單元數(shù)總是在4—5—4…的變化，由于繞組電阻的影響，使支路電流有波動，如果有足夠多的換向單元，則支路電流將是理想的直流，兩條支路的支路電流分別為:

式中:Vd—母線電壓;Ea—總電樞反電勢;R—換向單元電阻;Ia1，Ia2—兩條支路的支路電流。

電樞總電流:

由電勢平衡方程得到機械特性表達式:

式中:Ra—電樞回路總電阻。

考慮電樞反應時，2 號換向單元換向前，其反電勢極性已經(jīng)變?yōu)樨摌O性，此時2 號換向單元電流為兩種電流的疊加，其中環(huán)流大小可有下面公式計算得到，有:

式中:e2—2 號換向單元反電勢，R—換向單元電阻。此時，環(huán)流也會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，有:

環(huán)流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，這樣，會使得總的電磁轉(zhuǎn)矩減小，進而使電機轉(zhuǎn)速也會相應的減小，使電機機械特性變軟，降低了電機運行性能。

當電樞電流較小時，換向單元的電流基本恒定，當電樞電流增大時，換向前的延時角度α 內(nèi)電流增大，意味著該單元此刻有環(huán)流。隨著電樞電流的增加，環(huán)流會更大，對電機性能影響也更大，對功率管的容量也要求更大?？紤]到電機電樞反應對電機性能的影響，自然地，本研究應當對電機的控制策略進行改進，消除因電樞反應產(chǎn)生的環(huán)流對New DCM 系統(tǒng)的影響。通過分析，筆者認為采用提前導通換向策略，可以減小系統(tǒng)環(huán)流的影響，同時也使得電機機械特性變硬，帶負載能力加強。

4 提前換向方案的實現(xiàn)

有刷電機可以采用移動電刷的方法可以削弱電樞反應的影響，對于本研究New DCM 電機，采用的是電子換向器，可以通過對換向?qū)ǖ慕嵌鹊目刂苼磉_到移動電刷的效果。移動電刷的本質(zhì)在于超前換相，對于New DCM 電機，也就是要讓繞組換相時刻超前，達到削弱電樞反應的目的。對無刷電機而言，逆著旋轉(zhuǎn)方向移動“電刷”，即提前換相可以削弱電樞反應不良影響。

根據(jù)New DCM 工作原理，當采用標準角度換向模式時，DSP 讀取9 個Hall 的狀態(tài)值，根據(jù)各相Hall 變化情況，可得到New DCM 的運行狀態(tài)，依據(jù)環(huán)形分配表，給出對應的通斷信號。各個通電狀態(tài)順序如圖9所示。一個電周期有18 個通電狀態(tài)，一旦有Hall 狀態(tài)發(fā)生變化，電機進行換向。圖中深灰色方塊分別對應1～18 號通電狀態(tài)所對應的開關管導通，每個通電狀態(tài)導通時間為20°電角度。

提前角度換向?qū)?，即將同樣的一個通電狀態(tài)比正常導通時向前提前一個角度β。對于New DCM 而言，Hall 信號狀態(tài)發(fā)生變化時，原本需要導通的兩個功率管在Hall 狀態(tài)改變前β 電角度就已經(jīng)導通。

電機負載時，因為電樞反應的影響，會使電機氣隙磁通密度畸形，導致Hall 狀態(tài)改變時，相應相換向單元反電勢已經(jīng)提前α 角度由正變負或是由負變正，因此會在即將換向的換向單元上產(chǎn)生環(huán)流，而這個環(huán)流對電機的正常運行產(chǎn)生比較大的影響，而本研究提出的提前導通角換向模式是通過將相應的導通狀態(tài)提前β 角度，如果能夠?qū)@個角度進行控制，將α 與β 大小進行匹配，可以對因為電樞反應產(chǎn)生的換向單元反電勢極性提前變化產(chǎn)生的環(huán)流現(xiàn)象進行改善，從而提高電機的運行性能。

通過檢測9 個Hall 信號的上升沿與下降沿，每一個邊沿信號控制這個邊沿信號20°電角度之后的那個導通狀態(tài)。以1 號Hall 信號上升沿為例，若要提前β角度換向，只需在上升沿來到后延時20°－β 電角度所代表時間，再將通電狀態(tài)2 的開關管導通即可。如果要提前β 角度換向，當檢測到1 號Hall 信號上升沿后，根據(jù)Hall 周期計算20°－β 電角度所代表時間，有

式中:THall—Hall 周期時間。

通過DSP 定時器進行計數(shù)，當20°－β 電角度時間計算結(jié)束，再給通電狀態(tài)2 的開關管導通，其他狀態(tài)可以以此類推。提前角β 需要與反電勢提前轉(zhuǎn)換極性α 進行匹配。而β 的獲得可以通過對電機換向單元電流的分析來得到，理想情況下根據(jù)式(3)計算所得的換向單元正半周期電流如圖4所示。換向單元在圖中所示區(qū)域9 結(jié)束后換向，根據(jù)電樞反應分析，換向單元電流在換向狀態(tài)時電流因為環(huán)流會增大，而區(qū)域3～7不牽涉到相關橋壁開關管通斷，因此，這段區(qū)域內(nèi)換向單元電流變化平穩(wěn)，與理想狀況電流變化類似。如果要通過提前換向?qū)刂?，使電機運行性能與不考慮電樞反應時相同，只需將區(qū)域9 的電流與區(qū)域3、5、7進行比較，在一定容許范圍內(nèi)，如果區(qū)域9 的電流比區(qū)域3、5、7 電流平均值大，則將提前角β 增加;如果區(qū)域9 電流與區(qū)域3、5、7 電流平均值大小在容許范圍內(nèi)，則不改變提前角度β 的值。

圖4 理想狀況換向單元正半周期電流

換向單元相電流是通過霍爾電流傳感器測量得到，從傳感器得到電流信號經(jīng)調(diào)理電路至DSP 的ADC口，因為硬件資源的限制，對于采樣時刻的選取非常關鍵，本研究采樣時間在延時結(jié)束時刻讀取ADC 采樣值，再給通電狀態(tài)，然后對采樣電流值進行處理，從而得到提前角度β 的值。

5 實驗結(jié)果及分析

本研究樣機為9 換向單元New DCM，電機相關參數(shù)為:轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)p=2，換向單元電阻R=1.55 Ω，自感L=1.415 mH，互感M1=0.430 0 mH、M2=0.181 0 mH、M3=－0.057 2 mH、M4=－0.437 5 mH。根據(jù)前述分析，筆者在實驗樣機控制系統(tǒng)進行了基于提前換向的控制實驗。

負載接近0 時單元電流波形如圖5所示。負載較小或較大時換向單元電流波形分別如圖6、圖7所示。根據(jù)換向單元電流波形，可以發(fā)現(xiàn)電樞電流也較小，換向單元電流基本恒定;當負載加大的時候，根據(jù)圖6(a)和圖7(a)換向單元正常換向時換向單元電流波形，可以看到換向單元電流在換向前一個通電狀態(tài)電流有一個明顯的增加，這說明電樞反應在換向單元上產(chǎn)生了環(huán)流的結(jié)論的正確性，這個環(huán)流在換向單元上疊加，使處于將要換向的換向單元電流增大，這也同時證明了關于電樞反應對電機影響的分析是正確的。

圖5 負載接近0 時換向單元電流波形

圖6(b)和圖7(b)分別為負載加大且提前換向時的換向單元電流波形及對應的Hall 信號，對比換向單元電流與Hall 相位關系，可以得到:隨著負載的加大，電樞電流也相應的增加，換向單元電流相對于正常換向情況下有一個非常明顯的改善，此時換向單元電流表現(xiàn)出平穩(wěn)的直流電流，表明環(huán)流分量減小了，使電機換向器開關管流過電流減小，系統(tǒng)的運行性能更好，功耗更低。

同時，還可以通過實驗結(jié)果分析得到，采用提前換向也會對電機轉(zhuǎn)速有一個很好的提升效果，如圖7所示，在相同負載轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速從正常換向時的8 571 r/min 提升到9 736 r/min，這與直流電機移刷控制效果正好相符。

電機機械特性曲線對比圖如圖8所示。實測與仿真結(jié)果表明，調(diào)節(jié)提前換向角，在減小電機換向環(huán)流的同時，也可以達到類似有刷電機移動電刷控制的效果，提高電機的調(diào)速范圍，提高電機性能。

6 結(jié)束語

本研究在簡要介紹了9 換向單元New DCM 工作原理的基礎上，分析了負載時的氣隙磁密，以及電樞反應對換向的影響。本研究討論的電子換向器是成本最低、結(jié)構(gòu)最簡單的電子換向器，但它難以達到機械換向的效果，電樞反應引起的延時換向?qū)⒃趽Q向單元內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，從而降低了電機的性能，增加了功率器件的成本。本研究在分析中通過采用提前換向策略來進行改善，實驗結(jié)果驗證了本研究分析的正確性，分析結(jié)果對New DCM 及電子換向器的設計具有指導意義。

圖7 負載較大時換向單元電流波形

圖8 機械特性曲線對比

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