一種基于電壓脈沖注入的對轉無刷直流電機起動方法

杜 軍, 張林森, 趙 軍

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一種基于電壓脈沖注入的對轉無刷直流電機起動方法

杜 軍1, 張林森2, 趙 軍2

(1. 海軍裝備部 軍械保障部, 北京, 100841; 2. 海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

為解決反電勢法無法實現電機自起動的問題, 結合對轉無刷直流電機永磁體轉子的凸極性, 提出了一種改進的電壓脈沖注入定位起動方法, 該方法通過向電機電樞繞組注入開關電壓矢量, 利用電壓矢量產生的電流響應估計轉子位置角, 以此實現電機的轉子定位、起動和加速。試驗結果驗證了該方法的有效性。

對轉無刷直流電機; 起動; 電壓脈沖注入; 反電勢法

0 引言

對轉電動機在水下推進領域應用廣泛, 其特殊的雙轉子結構結合對轉螺旋槳, 可以有效抑制水下航行器的橫傾。近年來, 隨著永磁體材料和大功率電力電子器件的發展, 對轉永磁無刷直流電機開始應用于水下航行器中[1-2]。

無刷直流電機依靠轉子位置信號產生控制邏輯, 來驅動電子換相器, 使電機輸出持續的轉矩維持運轉。位置信號通常由安裝在電機內部的位置傳感器獲得, 位置傳感器的存在增加了無刷直流電機結構的復雜性, 降低了系統的可靠性, 因此, 無位置傳感器控制技術一直受到國內外研究人員的重視。目前最成熟、應用最廣泛的是反電勢法[3], 但是這種方法無法實現電機的自起動, 必須使用特殊的起動方法, 待電機達到一定轉速后切換至無位置傳感器控制。目前見于文獻的起動方法主要包括三段式起動法、預定位起動法和高頻信號注入定位起動法等[3-4]。本文結合水下推進器特點, 針對永磁體為插入式安裝的對轉無刷直流電機, 提出了一種改進的電壓脈沖注入定位起動方法。

1 電壓脈沖注入法原理

對轉無刷直流電機的永磁體為插入式安裝, 由于永磁磁極與鐵心的磁導率不同, 使電機呈現了凸極性。對于這種凸極轉子的電機而言, 一個重要特征就是繞組的自感和互感隨2個轉子的相對位置角的函數, 電壓脈沖注入法正是利用了這一特性, 從不同方向對電機施加電壓空間矢量, 通過測量其電流響應來估計轉子的位置。

正常運行狀態下的對轉無刷直流電機為三相兩兩導通方式, 即每一瞬間有2個功率管導通。為了清楚地描述電壓空間矢量, 本文利用6個逆變器功率開關管的開關狀態即6位二進制數來表示電壓空間矢量, 如果約定1位二進制數的0 表示功率開關管關斷, 1 表示功率開關管導通, 則可得到各功率開關管的開關狀態與6個非零電壓空間矢量的對應關系如圖1所示。

2 改進的電壓脈沖注入定位起動法

2.1 轉子初始相對位置的估計

本文提出的方法分為2個階段, 第1階段將轉子相對位置初步定位在30°精度范圍內[5]; 第2階段, 利用3個開關電壓矢量電流響應的特點, 進一步提高轉子相對位置的估計精度[5]。

2.2 加速過程

圖2 長短交替的開關電壓矢量及其電流響應

表1 1個電周期內的長短開關電壓矢量組合

2.3 切換過程

電機起動加速到一定速度以后, 就可以將電機切換至自同步運行狀態。在起動過程中, 通過施加2個相鄰的開關電壓矢量, 可以判斷轉子位置所在區間并且獲得電機的換相時刻, 將這個換相時刻稱為真實換相時刻; 另一方面, 在每次施加長開關電壓矢量時, 利用反電勢法可以估算出電機的換相時刻, 將其稱之為預估換相時刻, 將預估換相時刻與真實換相時刻進行比較, 若連續3次檢測到二者相等, 認為切換條件滿足, 將預估換相時刻作為電機的真實換相時刻控制電機運行, 也就是將電機切換至無傳感器控制狀態。至此, 電機的起動過程結束。

3 試驗結果及分析

圖3是轉子初始相對位置分別為60°和120°時注入的開關電壓矢量的電流響應曲線。表2給出了這2種情況下轉子的實際位置和按照本文提出算法估計得到的位置角度值的對比。從表2可以看出, 按照這種方法能夠有效地估算出試驗電機的初始轉子位置, 估算誤差在5°電角度以內, 這個誤差足以滿足電機起動的需要。

圖4給出了電機在加速過程中注入的長短脈沖序列產生的電流響應曲線, 其中位置檢測輔助脈沖即短脈沖的作用時間為250 μs, 加速脈沖即長脈沖的作用時間為750 μs。從圖中可以看出, 位置檢測輔助脈沖的電流響應幅值逐漸減小, 這是由于轉子位置變化導致繞組的電感發生了變化, 此外, 當電機開始旋轉以后, 繞組內部產生的反電動勢也會對電流響應的幅值有所影響, 不過由于轉速較低, 這種影響不會很大。

圖3 轉子在不同初始相對位置時開關電壓矢量的電流響應

表2 2種情況下轉子實際位置估計位置對比

圖4 加速過程電流響應曲線

當加速脈沖在250 μs時刻的電流響應大于此刻位置檢測輔助脈沖產生的電流響應時, 電機進行換相操作, 即: 將當前位置檢測輔助脈沖變為加速脈沖, 并將下一區間能夠產生最大電磁轉矩的開關電壓矢量作為新的位置檢測輔助脈沖。

圖5給出了換相點附近的2組電流響應曲線。從圖5(a)中可以看出, 此時位置檢測輔助脈沖在250 μs處產生的電流響應比加速脈沖在250 μs處產生的電流響應大, 此時還沒有到換相時刻, 而在圖5(b)中, 位置檢測輔助脈沖脈沖在250 μs處產生的電流響應開始比加速脈沖在250 μs處產生的電流響應小, 這時應對電機進行換相。如此反復, 電機的轉速在加速脈沖的作用下逐漸上升, 直至達到切換條件。

圖6是在50 N·m恒定負載下, 電機從靜止起動到900 r/min穩定運行整個過程電樞轉子的轉速曲線。電機轉速的實際值是利用安裝在電機軸端的轉速傳感器測得的, 從圖中可以看出, 本文提出的基于電壓脈沖注入的轉子定位起動方法能夠確保電機可靠起動, 整個過程中轉速比較平穩, 沒有出現大的波動; 向無位置傳感器閉環運行的切換點轉速約等于180 r/min, 為額定轉速的12%。由于在轉子初始相對位置估計階段和加速階段電機屬于開環運行, 因此這2個階段電機的轉速設定值為零, 電機進入無位置傳感器閉環控制運行狀態以后, 為了保證電機的穩定過渡, 程序中采取逐步加大轉速設定值的辦法, 使電機的轉速快速穩定上升。電機轉速的估計值是通過測量2次換相控制信號的時間間隔來獲得, 但是這種方法只能估計電機2個轉子的相對轉速, 由于對轉電機內外轉子的轉速差別不大, 因此將上電機2個轉子的相對轉速的二分之一作為電樞轉子的轉速估計值。由于在加速過程中獲得的電機換相控制脈沖信號與電機的實際換相信號存在相位差, 因此這個階段轉速估計誤差比較大, 進入閉環控制階段以后, 電機轉速的估計值和實際值就比較接近了, 這也說明上述轉速估計方法是可以滿足系統的控制要求的。

圖5 加速過程換相點附近的電流響應

4 結束語

本文利用對轉永磁無刷直流電機永磁體轉子的凸極性和電樞轉子鐵心的磁飽和性, 提出了一種基于電壓脈沖注入的轉子初始相對位置估計方法, 這種方法利用永磁體轉子N極附近的3個開關電壓矢量產生的電流響應, 準確估計了轉子初始相對位置; 在電機加速過程中, 采用長短脈沖序列交替作用于電機, 通過測量并比較相同作用時間內二者產生的電流響應的方法來估計轉子相對位置, 以控制電機換相, 這種方法既具有合理的控制精度, 又避免了多脈沖注入估計法在電機轉速升高后所帶來的一些問題。試驗結果表明, 本文提出的方法能夠保證電機在帶負載條件下快速定位與起動, 整個起動過程平穩, 沒有出現振蕩和反轉現象。

圖6 起動過程電樞轉子的轉速曲線

[1] 王建平. 魚雷電動力推進系統暫態分析[D]. 西安: 西北工業大學, 2002.

[2] 錢東, 崔立, 薛蒙. 美國新一代電動力輕型魚雷研發策略分析[J]. 魚雷技術, 2007, 15(6): 1-4.Qian Dong, Cui Li, Xue Meng. R&D Strategy of Next Generation Electric Power Lightweight Torpedo in US Navy[J]. Torpedo Technology, 2007, 15(6): 1-4.

[3] Kim T, Lee H W, Ehsani M. Position Sensorless Brushless DC Motor/generator Drives: Review and Future Trends[J]. IET Electronic Power Application, 2007, 1(4): 557–564.

[4] Lee W J, Sul S K. A New Starting Method of BLDC Motors without Position Sensor[J]. IEEE Transactions on Industry Application, 2006, 42(6): 1532-1538.

[5] 張林森, 謝順依, 石能勝, 等. 基于電壓脈沖注入的對轉無刷直流電機轉子初始相對位置確定方法[J]. 微電機, 2011, 44(5): 31-36. Zhang Lin-sen, Xie Shun-yi, Shi Neng-sheng, et al. A Method for Initial Relative Position of Contra-rotating Brushless DC Motor Rotors Based on Voltage Pulses Injection[J]. Micro- motors, 2011, 44(5): 31-36.

[6] 張智堯, 林明耀, 周谷慶. 無位置傳感器無刷直流電動機無反轉起動及其平滑切換[J]. 電工技術學報, 2009, 24(11): 26-31.Zhang Zhi-yao, Lin Ming-yao, Zhou Gu-qing. Anti-Reverse Rotation Startup and Smoothly Switching of Sensorless Brushless DC Motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(11): 26-31.

An Improved Starting Method of Contra-rotating Brushless DC Motor Using Voltage Pulses Injection

DU Jun1, ZHANG Lin-sen2, ZHAO Jun2

(1. Naval Armament Department, Beijing 100841, China; 2. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

An improved starting method is proposed to solve the problem that brushless DC motor cannot self-start under the sensorless control strategy of back electromotive force(EMF) method. The salient polarity of the permanent magnet rotor is utilized for contra-rotating brushless DC motor. In the proposed method, voltage pulses are injected to armature-rotorof the motor, and the corresponding current response are sampled for estimating the angle of rotor position, so two rotors of the contra-rotating brushless DC motor can be positioned, started and then accelerated. The effectiveness of the proposed method is validated experimentally.

contra-rotating brushless DC motor; starting; voltage pulse injection; back electromotive force(EMF)method

TJ631.2; TM361

A

1673-1948(2013)02-0137-04

2012-06-12;

2012-08-03.

杜 軍(1979-), 男, 碩士, 工程師, 主要從事魚雷武器總體技術方向研究.

(責任編輯: 陳 曦)