變頻空調用直流無刷電機轉子位置檢測技術研究

黃潤宇 李 慶 高曉峰

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519110）

引言

目前行業內，無刷直流電機由控制器驅動，控制方式有兩種，一種為有位置傳感控制驅動，另外一種為無位置傳感控制驅動。無位置傳感控制驅動，比有位置傳感控制驅動減少了幾個關鍵的元器件，能節省電機成本，從而提高市場競爭優勢。

無位置傳感控制驅動是通過檢測反電勢過零點的方式檢測轉子位置。在降低成本的前提下，無位置傳感控制驅動存在一些問題，例如，無位置傳感控制驅動檢測轉子位置是通過算法來計算得出，算法計算出來的轉子位置存在偏差，與實際轉子位置可能存在角度差。這些細微的角度差，可能會導致電機轉矩脈動大，進而導致電機效率偏低，存在噪音等可靠性問題。

本文針對提高無刷直流電機無位置傳感控制驅動的轉子檢測進行研究。

1 無位置傳感控制驅動工作原理

1.1 無刷直流電機工作原理（圖1）

電動機和電子驅動電路兩部分形成了無刷直流電機。電動機部分與傳統的交流永磁同步電機基本相似。根據驅動需求，無刷直流電機還需要位置傳感器[1]。

1.2 無位置傳感控制驅動

無刷直流電機的無位置傳感控制驅動的關鍵在于：利用間接的檢測轉子位置的方法來取代位置傳感器檢測轉子位置的方法。通過軟件和硬件，來實現檢測電機磁場的變換。

無位置傳感控制驅動檢測轉子位置有：反電勢過零點法、反電勢積分及參考電壓比較法、續流二極管等。

1.3 反電勢過零點法

無刷直流電機是根據三相六狀態，120 °通電方式驅動的[2]，以這種方式運行的直流無刷電機，在運行的時候，電機繞組只有兩相通電工作，另外一相繞組不通電，稱之為懸空相。反電勢過零點法就是通過電機旋轉，會使懸空相產生較多的由電樞反應產生的反電勢，檢測其過零點的時刻來檢測轉子位置。

2 位置檢測矯正

根據無刷直流電機繞組反電勢反饋實時轉子位置，利用這個原理，在其中一槽或多槽的繞組上，另繞n圈檢測繞組（后面稱之為檢測線圈），假設該電機反電勢為E0V，每相繞組有N匝繞組，則檢測線圈上的反電勢E1有：

由于槽滿率和轉矩脈動等影響，檢測線圈不宜過多，在一些電機匝數比較高的情況下，檢測繞組產生的反電勢小，對于檢測線圈反電勢可能會出現檢測精度過小、檢測誤差等問題。對此，只需要將檢測線圈兩端接到運算放大器上，調節運算放大比例，可以調節MCU所檢測到的檢測線圈反電勢的峰峰值，增加檢測的精度。檢測繞組反電勢放大電路圖如圖3所示。

圖1 無刷直流電機工作原理

圖2 反電勢過零點

圖3 檢測繞組反電勢放大電路圖

3 基于Maxwell電磁仿真

基于上述理論，根據maxwell具有瞬態電磁仿真，以及能進行空、負載仿真。利用maxwell來進行電機的負載仿真以及帶載能力的推算[3]。

3.1 檢測線圈反電勢

以12槽8極的電機為仿真模型，同時在U相繞組上，放置U相的檢測繞組。

圖5、圖6中以x軸正方向穿過的齒部為U相的第一槽，接著以逆時針擺布UVW三相繞組。檢測線圈位于U相的第一槽。

根據圖6和圖7可得，U相繞組的反電勢與檢測線圈U的反電勢相位一致無偏差。

3.2 相位偏差導致的轉矩偏低

基于圖4的仿真模型，對每相繞組添加負載電流

式中：

a—負載相電流峰值；

T—反電勢的周期；

β—相位角度差。

以U相為0，V相為-120°，W相+120°。g為相位角度偏移。可得負載轉矩如圖8。

相位偏差導致的轉矩變化及轉矩脈動見表1。

圖4 仿真模型

圖5 仿真模型中的檢測線圈

圖6 U相反電勢

圖7 檢測線圈U反電勢

圖8 負載轉矩仿真結果

通過仿真結果可得，負載電流相位角度的偏差，會導致電機的扭矩變化，當負載電流相位角與轉子相位角一致時，轉矩最大，電機在拖動同一個負載時的效率能達到最優化。同時轉矩脈動也處于比較低的值。

4 實際驗證

4.1 反電勢測試

基于上述理論以及上述模擬負載，將一款量產電機的U相的第一槽上纏上一組檢測線圈，同時將電機的U相的端電壓和中心點引出。啟動電機，利用示波器測試U相的電壓和檢測線圈的反電勢。

由圖9可得，電機通電相位與檢測線圈存在著偏差，偏差角度為6.2 °，檢測線圈的反電勢不和電機通電相位一一重合。裝配負載后測試出來的得到的消耗功率為50 W。

4.2 相位角度改善

針對不同電機調節不同的電角度可得2格數據。

圖9 U相和檢測線圈的相位差

表1 相位偏差導致的轉矩變化及轉矩脈動

表2 相位調整后的消耗功率

由表2可得，更正相位能夠改善電機的消耗功率。

5 總結

據上述分析，實際中無位置傳感驅動算法計算出來的轉子位置和實際電機轉子位置存在一定的相位偏差，這種偏差會導致電機消耗功率大，轉矩脈動增大。通過檢測線圈檢測轉子實際位置，然后調節導通的相位角度，使電機繞組導通相位與實際電機轉子位置一致時，能使得電機消耗功率最低，電機轉矩脈動減小。本文針對輔助無位置傳感驅動的轉子位置檢測進行了研究，研究了檢測線圈與實際線反電勢的偏差、相位角度偏差對效率的影響，針對性的給出了研究技術方案，為無位置傳感驅動轉子檢測提供了一種可行性的技術方案。