直流無刷電機的換相過零檢測研究

高曉峰 劉丹 黃潤宇

摘要：直流無刷電機已經(jīng)進入到航天航空、自動化、工業(yè)工控、工具制造與汽車制造等領(lǐng)域中，可滿足定位應(yīng)用、可變負載應(yīng)用與持續(xù)負載應(yīng)用需求。本文主要針對直流無刷電機的控制需求，針對換相與零點時刻，研究過零檢測電路，以此來滿足無位置傳感器條件下的電機控制需求。

關(guān)鍵詞：直流無刷電機;換相過零檢測;技術(shù)方法

直流無刷電機在民用與工業(yè)領(lǐng)域中都得到良好的影響，其優(yōu)勢包括節(jié)能高效、性能穩(wěn)定可靠以及結(jié)構(gòu)簡單等。對這種電機進行控制時，需要通過明確轉(zhuǎn)子的位置來對換相時刻加以確定?，F(xiàn)主要從換相過零檢測的角度對直流無刷電機的應(yīng)用與控制展開研究。

1直流無刷電機應(yīng)用原理

1.1原理

無刷直流電機屬于機電一體化的設(shè)備，其組成部分包括驅(qū)動器與電動機主體，轉(zhuǎn)子上粘設(shè)的永磁體已經(jīng)完成充磁，在對轉(zhuǎn)子極性進行檢測時，需要通過位置傳感器來實現(xiàn)。集成電路與功率電子器件共同組成驅(qū)動器，該裝置負責(zé)獲取電機的制動、停止與啟動信號，從而使電機切換制動、停止與啟動幾種不同的狀態(tài);同時還要負責(zé)獲取位置傳感器發(fā)送的信號以及正反轉(zhuǎn)信號，實現(xiàn)對功率管的控制，變換通斷狀態(tài)，不斷形成轉(zhuǎn)矩;除此之外，還需對速度反饋信號和速度指令進行接收，以此調(diào)整與控制轉(zhuǎn)速，功能還包括顯示與保護等。

采用三相繞組形式的直流無刷電機在運行時，主要借助6種狀態(tài)實現(xiàn)導(dǎo)通。電流會依照相應(yīng)的順序經(jīng)過電機三相繞組之后，形成旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子上設(shè)置的永磁鐵和旋轉(zhuǎn)磁場間將出現(xiàn)相互作用，電機依照預(yù)設(shè)方向開展循環(huán)轉(zhuǎn)動。電機在完成單個周期運行時，往往存在6種狀態(tài)，因此必須對轉(zhuǎn)子所處的6個不同的特殊位置實施檢測，并展開6次換相?？刂茊挝浑娏鲀?nèi)的電機達到輸出有效轉(zhuǎn)矩的最大值時，所有換相都應(yīng)是確定時刻?？山o電機選擇星形連接方式，按照換相時刻，控制器連續(xù)地對功率管進行開閉動作，電機不間斷地按照一致的方向進行轉(zhuǎn)動動作，處于電路下方區(qū)域的場效采取PWM控制系統(tǒng)，確保滿足電機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方面的要求。

1.2特點

直流無刷電機能夠?qū)p速機+異步電機調(diào)速系統(tǒng)、變頻電機與變頻器調(diào)速與直流電機調(diào)速進行體改，既保持傳統(tǒng)型直流電機設(shè)備的優(yōu)勢，又將滑環(huán)結(jié)構(gòu)與碳刷結(jié)構(gòu)取消;可保持大功率低速的運行狀態(tài)，以此節(jié)省減速機進行直接驅(qū)動活動而產(chǎn)生的過大負載;其出力大、重量輕且體積比較小，過載能力強化，具有相對較廣的調(diào)速范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速;這種電機本身具有良好的制動特性，可軟停軟啟，因此不需要使用電磁制動裝置或者機械制動裝置;電機符合節(jié)能要求，具有較高的運行效率，運行電機時并不會產(chǎn)生碳刷損耗或者勵磁損耗，節(jié)電率在20%到60%之間;直流無刷電機不僅適應(yīng)性比較強，其保養(yǎng)與檢修都容易實現(xiàn)，由于運轉(zhuǎn)更加平滑，震動幅度小，噪音強度低，所以可用時間更長;不會產(chǎn)生火花，安全隱患少，可在爆炸性場所中應(yīng)用防爆型電機。

2反電動勢過零檢測方法與原理

無刷直流電機的組成部分包括轉(zhuǎn)子鐵心、支板、鉚釘，定子繞組與鐵心、定子相、槽絕緣材料以及永磁體共同構(gòu)成，其中空調(diào)壓縮機設(shè)備的外殼與定子鐵心采用熱裝工藝，通過過盈配合的技術(shù)被設(shè)置到壓縮機中，熱裝工藝還被用到轉(zhuǎn)子內(nèi)控上，同樣選擇過盈配合方法處于泵體曲軸上。

針對直流無刷電機設(shè)備實施控制時，關(guān)鍵問題為換相時刻的正確確定，以此才能確保各個時刻繞組維持良好的通電狀態(tài)，如果在控制系統(tǒng)上增加位置傳感器，系統(tǒng)整體建設(shè)成本隨之增高，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也會變得更加復(fù)雜，系統(tǒng)整體抵抗干擾的能力由此變差，傳感器需要連接的線路數(shù)量多，構(gòu)成復(fù)雜，電機的可靠性在傳感器的影響下會降低，一些電機所處的運行條件較為惡劣，存在高壓、高溫等隱患因素，冷凍機油與制冷劑還會造成腐蝕性問題，提高了傳感器的使用難度，電機本身的運行特性與傳感器設(shè)備的安裝精度也有聯(lián)系，如果傳感器出現(xiàn)故障，電機整機壽命將隨之縮短。所以在研發(fā)升級這種電機的控制系統(tǒng)時，需要設(shè)立不使用位置傳感器的條件，常見的方法包括磁鏈法、以續(xù)流二極管為基礎(chǔ)的導(dǎo)通檢測法以及過零檢測法（反電動勢），使用率較高的方法為過零點檢測技術(shù)，其主要測量電機中性點上的電壓和斷開相繞組端上的電壓之間存在的關(guān)系。

根據(jù)直流無刷電機電路驅(qū)動圖，同時導(dǎo)通場效應(yīng)管VT2和VT3，其余的場效應(yīng)管均為關(guān)閉狀態(tài)，永磁電阻維持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，經(jīng)過繞組，其磁通因此而出現(xiàn)變化，反電動勢保持正負交變，只有在一個時刻中，反動電勢數(shù)值是零，即檢測時其過零點。當(dāng)反相輸入端接入的電壓低于同相輸入端連接的電壓，系統(tǒng)中使用的電壓比較器將高電平的信號輸出;而當(dāng)情況相反時，電壓比較器提供的信號是低電平?？紤]到運放給共模信號提出的要求，反向端與同向端能夠輸入的電壓達到比較器設(shè)備電源電壓的二分之一。

3試驗與結(jié)果

試驗中選擇的直流無刷電機擁有9對磁極，針對其中一個繞組反電動勢過零點的情況實施檢測。

電阻運放出的所有輸出信號中，有數(shù)個過零時刻，將過零時刻對應(yīng)的信號發(fā)出。當(dāng)電阻放出的信號處于過時刻前端區(qū)域時，存在數(shù)個呈現(xiàn)不規(guī)整狀態(tài)的三角脈沖，同時脈沖的下降沿與上升沿均存在延遲，之所以出現(xiàn)三角脈沖，主要是因為運放本身以及阻容耦合形成影響，導(dǎo)致輸出信號產(chǎn)生延遲的情況。分析輸出信號時，系統(tǒng)的軟件可以對過零時刻實施判斷，確定其無法通過查詢方式與中斷方式進行檢測，當(dāng)居于過零時刻，輸出信號進行高低平轉(zhuǎn)換前期，可能有多個呈現(xiàn)出不規(guī)整特點的三角脈沖。控制器在受到干擾信號的影響后，獲取的過零時刻信號存在錯誤的情況，控制器通過中斷方式對零點開展檢測時，應(yīng)當(dāng)增設(shè)比較電路，具體位置為過零檢測電路系統(tǒng)后方，二級比較器設(shè)備的反向端增設(shè)電阻電壓，數(shù)量為2，設(shè)置Uf為參考電壓，如果參考電壓高于一級比較器設(shè)備提供的信號電壓，另外的二級運放將電平信號輸出并保持前一種狀態(tài)，當(dāng)信號電壓大于參考電壓，即可確定達到高電平與低電平相互轉(zhuǎn)換的時刻，即輸出信號過零。

借助二級運放對三角脈沖進行濾除，以此消除這種存在不規(guī)整問題的脈沖的影響，提供的脈沖過零信號為矩形，且具有較高的標準化水平。通過CPU對零點進行檢測時，為了避開三角脈沖，需要在PWM運行周期之內(nèi)的低電平期間對過零信號開展查詢工作，運放與阻容耦合造成的信號延遲現(xiàn)象也會產(chǎn)生影響，所以應(yīng)當(dāng)在低電平出現(xiàn)小段延時之后再查詢，查詢高低電平轉(zhuǎn)換發(fā)生的瞬間，成功實現(xiàn)對過零時刻的有效檢驗。對比這種方式與中斷方式，前者具有更為簡單的結(jié)構(gòu)，但是查詢過程中會出現(xiàn)大量占用CPU的問題。

4直流無刷電機的控制系統(tǒng)

直流無刷電機大多使用轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，功能單元包括電流調(diào)節(jié)、電流保護與電流檢測，該系統(tǒng)單位功能是在起動活動中與限流保護過程中，維持系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩加速最大值;速度環(huán)為外環(huán)，功能單元有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速計算與轉(zhuǎn)子位置檢測等，作用為對單機調(diào)速控制與恒定轉(zhuǎn)速進行保證。

系統(tǒng)進行檢測活動，掌握母線電流發(fā)生的變化，向電流保護電路以及電流調(diào)節(jié)器傳送檢測信息，并實施分析處理。如果電機系統(tǒng)進入升速運行狀態(tài)或者恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速狀態(tài)，電流調(diào)節(jié)器裝置即可按照電流檢測數(shù)據(jù)，給PWM波的控制與發(fā)生環(huán)節(jié)提供控制電流的相關(guān)信息，進而發(fā)揮電流控制作用。在速度控制環(huán)節(jié)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器可結(jié)合PWM調(diào)制信號的具體發(fā)生情況，開展轉(zhuǎn)速開環(huán)控制活動，在閉環(huán)控制功能中，主要借助轉(zhuǎn)速計算數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)子位置的具體檢測結(jié)構(gòu)完成對轉(zhuǎn)速控制輸出的調(diào)整。本文研究的這種建立在無位置傳感器條件下的運行方式為進行一定時間的延時后，參考各相繞組之間的導(dǎo)通關(guān)系，對后續(xù)的導(dǎo)通邏輯進行確定，延時時間多為逆變周期范圍內(nèi)30度電角度。利用電阻分壓即可完成反電動勢采樣，再把采樣電壓傳動到過零比較器中進行過零檢測，實際檢測過程中，考慮到噪聲可能影響到檢測結(jié)果，同時過零檢測系統(tǒng)對于噪聲也有相對較高的敏感度，所以應(yīng)當(dāng)將低通濾波環(huán)節(jié)添加到過零比較器裝置的前端。

5結(jié)論

直流無刷電機需要在沒有位置傳感器的前提下正常運行，這就導(dǎo)致系統(tǒng)控制難度提高，檢測位置信號時，可選擇電感法、續(xù)流二極管法以及反電動勢法等。本文運用反電動勢法，重點研究過零檢測電路的相關(guān)問題，運用軟件對過零信號進行精準識別，選擇中斷方式時，需要加設(shè)比較電路，實現(xiàn)對三角脈沖的過濾;也可選擇CPU查詢的方法完成檢測任務(wù)，需在PWM處于低電平階段完成查詢。

參考文獻

[1]張?zhí)m紅，楊婷婷，王韌綱，等. 無位置傳感器無刷直流電機換相位置的檢測與修正[J]. 微電機，2019，52（10）：7.

[2]趙云龍，馬利嬌，孫文勝，等. 無刷直流電機無位置傳感器換相補償方法研究[J]. 北京信息科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2020，35（3）：8.

[3]姜浩，李英杰，李志濤. 常見直流無刷電機的控制方式[J]. 電子世界，2019（8）：2.