無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)研究

王哲　閆學(xué)文　梁亮

摘 要：無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)具有啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，傳統(tǒng)的電機(jī)啟動(dòng)方法容易使得電機(jī)失步，帶負(fù)載啟動(dòng)能力弱等特點(diǎn)。根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)定子鐵心的飽和效應(yīng)，這里采用三段式中的初始位置預(yù)定位法進(jìn)行轉(zhuǎn)子預(yù)定位和兩步短時(shí)脈沖法進(jìn)行轉(zhuǎn)子加速。該方法能夠快速得到轉(zhuǎn)子的位置，并且在不失步的情況下得到初步速度，建立較低的反電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而切換至反電動(dòng)勢(shì)控制方式運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；轉(zhuǎn)子預(yù)定位；兩步短時(shí)脈沖定位加速法

中圖分類號(hào)：TM332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前 言

無(wú)刷直流電機(jī)因其調(diào)速特性好、無(wú)換向火花、效率高、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。無(wú)刷直流電機(jī)的類型很多，從有無(wú)位置傳感器可以分為無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)和有位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)。有位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)在其啟動(dòng)時(shí)無(wú)需特殊注意。但是因?yàn)闊o(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)在體積和生產(chǎn)成本上與有位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，所以無(wú)位置無(wú)刷直流電機(jī)在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用越來(lái)越得到人們的重視，而其如何啟動(dòng)也就順理成章的成為了人們的研究對(duì)象[2]。

在對(duì)于無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)常用的啟動(dòng)方法包括三段式啟動(dòng)法，升頻升壓同步啟動(dòng)法。其中三段式啟動(dòng)法簡(jiǎn)單，但是實(shí)驗(yàn)調(diào)試特別的復(fù)雜，要依靠大量的經(jīng)驗(yàn)施加電壓矢量，而且還容易受到負(fù)載條件的影響，很容易使得啟動(dòng)失敗，甚至發(fā)生倒轉(zhuǎn)，存在嚴(yán)重的安全隱患[3]。升頻升壓發(fā)啟動(dòng)比較可靠，但是沒(méi)有嚴(yán)格的換向信號(hào)作為指導(dǎo)，雖然可以攜帶一定的負(fù)載進(jìn)行啟動(dòng)，但是附加的啟動(dòng)電路增加了電機(jī)的尺寸，降低了系統(tǒng)的可靠性，也不是這類電機(jī)啟動(dòng)的最佳選擇[4]。

本文提出了一種基于結(jié)合傳統(tǒng)三段式法的轉(zhuǎn)子預(yù)定位法和兩步短時(shí)脈沖加速法，兩步即可使得電機(jī)順利啟動(dòng)，最后根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)建立完整的控制系統(tǒng)，整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單易行，大大降低了電機(jī)啟動(dòng)失敗的概率。

2 短時(shí)脈動(dòng)法的理論基礎(chǔ)

本文所研究的無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位于整個(gè)電機(jī)的中心，是由永磁體組成的，而定子則是由纏繞于鐵心的線圈而成，結(jié)構(gòu)如圖所示。

轉(zhuǎn)子即永磁體有N和S不同的極性，而在外部纏繞在鐵芯上的線圈在外部電路的控制作用下產(chǎn)生不同的磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2016年6月

第35卷第2期王 哲等：無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)研究

這里線圈纏繞在鐵心上形成定子，當(dāng)外加磁場(chǎng)作用于線圈時(shí)，電感L的值會(huì)隨著磁場(chǎng)的大小和方向的變化不斷的變化。當(dāng)線圈中通過(guò)的電流和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)保持一致時(shí)，電感L減小，當(dāng)處于垂直狀態(tài)時(shí)，電感L的值最大[6]，如圖2所示。電壓電流和電感的關(guān)系如式2，這就是短脈沖檢測(cè)的原理。

無(wú)刷直流電機(jī)的通電線圈處于電機(jī)的外側(cè)，即電機(jī)的定子，電流通過(guò)線圈，線圈存在電感，而作為電機(jī)的轉(zhuǎn)子的永磁體對(duì)于線圈的電感有著增磁和去磁作用，永磁體（即轉(zhuǎn)子）的N極靠近線圈時(shí)，線圈的電感值減小，所以當(dāng)線圈中存在電流并且轉(zhuǎn)子的N極靠近線圈時(shí)，電流會(huì)因?yàn)榫€圈電感值的減小而增大。

圖3電機(jī)的控制原理圖，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化以后可以得到下圖所示：

這樣我們能夠根據(jù)電路中電流的大小判斷出轉(zhuǎn)子的位置，也能夠根據(jù)電流的大小得到換向點(diǎn)。

3 轉(zhuǎn)子定位及加速

3.1 轉(zhuǎn)子預(yù)定位法

對(duì)于無(wú)傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)而言，在電機(jī)啟動(dòng)之前，轉(zhuǎn)子的初始位置是隨即的，也就是未知的，所以得到轉(zhuǎn)子的確切的初始位置對(duì)于這類無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的啟動(dòng)是至關(guān)重要的。為了簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確的定位到轉(zhuǎn)子的初始位置，這里我們采用轉(zhuǎn)子預(yù)定位的方法是借鑒三段式啟動(dòng)法的轉(zhuǎn)子預(yù)定位法，在電機(jī)通電伊始，給電機(jī)的任意兩項(xiàng)通電一段時(shí)間，使定子能夠產(chǎn)生一個(gè)固定的磁場(chǎng)，如下圖a所示。

在磁場(chǎng)力F的作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到如圖a的位置，但是若電機(jī)初始位置正好與F相差180度，如b，這時(shí)在理論上產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為零，所以要進(jìn)行電機(jī)的第二次定位，也就是按電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?qū)ㄏ乱淮卫@組電流，使其產(chǎn)生與原來(lái)F相差90度的F方向的磁場(chǎng)力，這樣，不論轉(zhuǎn)子的初始位置是在a的位置上還是在b所指的位置上，轉(zhuǎn)子都將轉(zhuǎn)動(dòng)到F所指的位置[7]。

其實(shí)，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子大部分時(shí)候是不需要二次定位的。但是我們這里為了防止意外情況的出現(xiàn)，還是采用了更為保守的二次定位。這樣誰(shuí)稍稍延長(zhǎng)預(yù)定位的時(shí)間，但是杜絕了意外的發(fā)生。

等到電機(jī)的轉(zhuǎn)子到達(dá)指定位置后，將在指定位置處左右擺動(dòng)，處在一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)，最后在摩擦力和磁滯渦流的作用下停止。很多時(shí)候?yàn)榱俗屴D(zhuǎn)子有足夠的時(shí)間反應(yīng)調(diào)整位置，所以我們要對(duì)電機(jī)的通電時(shí)間稍微長(zhǎng)一點(diǎn)[8]，但是電壓不要過(guò)大，因?yàn)樵谶@個(gè)階段，我們通常不使用PWM來(lái)調(diào)節(jié)電壓。

3.2 轉(zhuǎn)子加速

電機(jī)的加速過(guò)程采用的導(dǎo)通方式為二二導(dǎo)通方式。如下圖所示，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子預(yù)定位，轉(zhuǎn)子到達(dá)指定的位置，給電機(jī)的繞組依次通電，就可以保證電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。但是如何找到電機(jī)的換向點(diǎn)，是加速過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵，過(guò)早和過(guò)完的換向都會(huì)引起電機(jī)的失步，嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)啟動(dòng)失敗，造成重大的事故。這里我們采用短脈沖加速法，通過(guò)比較電流閾值檢測(cè)換向點(diǎn)，該方法簡(jiǎn)單易行，準(zhǔn)確度高，且不需要知道電機(jī)的準(zhǔn)確參數(shù)就能夠保證電機(jī)的正常啟動(dòng)。

根據(jù)短脈沖理論，我們可以大致描繪出其脈沖的波形圖，進(jìn)而得到電流波形，大致如下圖所示。

在PWM的低電平期間，給出相應(yīng)的檢測(cè)脈沖矢量，在短脈沖結(jié)束時(shí)檢測(cè)母線電流的大小，根據(jù)兩次電流值的大小可以確定是否為換向點(diǎn)。通過(guò)電機(jī)運(yùn)行電壓矢量圖可以得到理論上的換向值，當(dāng)兩次取得的電流值大小相等時(shí)為最佳換向點(diǎn)。

短脈沖加速法采取的是給一個(gè)短時(shí)間的短脈沖，這個(gè)短脈沖的持續(xù)時(shí)間既不可過(guò)長(zhǎng)，因?yàn)闀r(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，亦不宜過(guò)短，因?yàn)槿绻堂}沖的時(shí)間過(guò)短，不容易檢測(cè)到電流值，很可能會(huì)發(fā)生檢測(cè)到的電流值大小相等的情況，使得控制器誤以為到了換相時(shí)間進(jìn)行錯(cuò)誤的換相。這個(gè)短脈沖的持續(xù)時(shí)間建議值為當(dāng)前電路的時(shí)間常數(shù)，但是經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，取值為等效時(shí)間常數(shù)的短脈沖電壓引起電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)稍微減小脈沖持續(xù)的時(shí)間以保證轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)。

下面我們以初定位的位置在V1為例，進(jìn)行分析說(shuō)明，短脈沖加速法是如何進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)-加速運(yùn)行的。

若轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)預(yù)定位后的位置為V1，為了取得最大的轉(zhuǎn)矩，所以取呈現(xiàn)90度導(dǎo)通，所以導(dǎo)通的電壓矢量應(yīng)為V32，轉(zhuǎn)子進(jìn)入I和II區(qū)，而此時(shí)的檢測(cè)電壓矢量應(yīng)為V1和V3，相應(yīng)的檢測(cè)到電流為I1和I3，這時(shí)I1>I3，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到V2的位置時(shí)，I1=I3，這時(shí)就到達(dá)了換向點(diǎn)，可以進(jìn)行換向操作到V34。但在實(shí)際定位加速過(guò)程中，加速脈沖過(guò)寬可能會(huì)淹沒(méi)最佳換相時(shí)刻，造成換相失敗，在實(shí)際操作中，我們也發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，每次都很難能檢測(cè)到最佳換相時(shí)刻。為了加速的穩(wěn)定性，把換相條件設(shè)定為I3≥I1，即最佳或滯后換相，這提高了短脈沖加速法的負(fù)載適應(yīng)性，防止檢測(cè)失誤錯(cuò)過(guò)換向時(shí)間。轉(zhuǎn)子繼續(xù)在V34的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子處在III和IV區(qū)，這時(shí)檢測(cè)電壓矢量為V2和V4，相應(yīng)的檢測(cè)電流為I2和I4，當(dāng)轉(zhuǎn)子位于III和IV區(qū)時(shí)，I2>I4，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到V3的位置時(shí)，I2=I4，相應(yīng)的，我們也取當(dāng)I4≥I2時(shí)換向到V54，轉(zhuǎn)子進(jìn)入V和VI象限，依照上述的方法，這樣在不同電壓矢量的作用下，轉(zhuǎn)子加速到指定的速度。下表給出了短時(shí)間脈沖檢測(cè)電壓矢量及換相條件如表：

對(duì)照著上表電機(jī)進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)-加速運(yùn)行，加速結(jié)束時(shí)，電機(jī)已經(jīng)具備較低的轉(zhuǎn)速與反電動(dòng)勢(shì)，這是可以根據(jù)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置切換到反電動(dòng)勢(shì)運(yùn)行。

圖8即母線檢測(cè)到的電流波形圖將電流波形局部放大如圖9可以看到矢量控制產(chǎn)生的電流和短脈沖產(chǎn)生的電流，通過(guò)比較檢測(cè)脈沖的大小可以得知換向點(diǎn)。

在這里我們首先僅僅使用本文介紹的啟動(dòng)方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，為了表現(xiàn)明顯，我們這里單獨(dú)使用短脈沖對(duì)電機(jī)的控制，為的是展示此方法的可行性。因?yàn)樵趯?shí)際控制中，啟動(dòng)的過(guò)程很短暫，不容易觀察到，所以這里我們暫時(shí)不切換到反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行控制。

下圖為速度波形，可以觀察到有電機(jī)初定位到切換到短脈沖加速時(shí)的位置，因?yàn)槎堂}沖加速會(huì)產(chǎn)生震蕩，所以單獨(dú)用這種方法進(jìn)行電機(jī)的控制會(huì)速度會(huì)產(chǎn)生震蕩，這也正是短脈沖加速的局限性所在。

4 實(shí)驗(yàn)

這里我們采用的是南京研旭電氣生產(chǎn)的57BL52-230，其性能穩(wěn)定，額定電壓為24V，線電阻0.6歐，線電感為0.75Mh。

這里采用基于相電壓的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路，為了避免復(fù)雜的運(yùn)算，我們將得到的反電動(dòng)勢(shì)延遲90-a。

圖11 控制電路

其得到的速度波形圖如下圖所示，因?yàn)檗D(zhuǎn)子定位和加速至可以檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)程非常短暫，這里很快就使得轉(zhuǎn)子進(jìn)入了指定的速度。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及說(shuō)明

經(jīng)過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)的分析，我們可以看出，轉(zhuǎn)子的二次定位可以方便快捷的得到轉(zhuǎn)子的初始位置，而短脈沖加速過(guò)程，可以得到使得轉(zhuǎn)子在不失步的情況下使得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速到達(dá)可以檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)的速度，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面證明了，采用短脈沖加速技術(shù)大大降低了轉(zhuǎn)子的失步的概率，減少了事故的發(fā)生。

該方法不僅適用于方波的無(wú)刷直流電機(jī) ， 還適用于正弦波的無(wú)刷直流電機(jī)，即永磁同步電機(jī)，并且不必要知道這些電機(jī)確切參數(shù)。只需要大致的計(jì)算檢測(cè)脈沖所持續(xù)的時(shí)間再進(jìn)行調(diào)節(jié)即可。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧秀和，杜東禮，郭志偉，等. 基于脈沖注入法的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)[J] .微電機(jī)，2008，41：70-75.

[2] 劉紅平，崔儒飛，高慧敏. 無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器的啟動(dòng)研究[J]. 裝備制造技術(shù)，2014，（9）：104-109.

[3] KIM T，LEE H W， EHSANI M. Position sensorless brushless DC motor/generator drives： review and future trends [J]. IET Electric Power Applications， 2007， 1（7）： 557-564.

[4] 林明耀，劉文勇. 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)短時(shí)脈沖定位加速方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011. 24（11）： 26-32.

[5] 朱俊杰. 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)關(guān)鍵控制技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2014.

[6] 湯長(zhǎng)波. 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)方法研究[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011.11：49-54.

[7] 陳程，無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)技術(shù)的研究[D].長(zhǎng)沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2012.

[8] 張磊，瞿文龍，肖偉.一種新穎的無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006.21（10） ： 26-30.