直流無刷電機無位置傳感器控制方法

黃先偉 祝大芬 張矛盾 何薇薇

（1.廣州市百福電氣設備有限公司，廣州 510370；2.佛山市和融數控軟件有限公司，佛山 528061； 3.中山火炬職業技術學院，中山 528437）

1 技術背景

隨著生產需求的不斷增加，人們對電機的運行效率提出了更高的要求。在此條件下，直流有刷電機的弊端突出。與傳統電機相比，直流無刷電機能夠通過電子開關電路實現電刷的功能，以此有效實現換相的穩定性，避免火花問題[1-3]。在高密度的能量堆積作用下，其直流調速范圍和啟動轉矩也明顯高于有刷電機，因此在其使用過程中需要良好的控制方法[4]。文獻[5]提出一種以冪次趨近律滑模觀測器為基礎的控制方法，具有良好的控制效果，但對硬件的要求較高，對于小成本企業而言適用性較差。文獻[6]將端電壓平均值與準滑模觀測器的觀測結果相結合，確定了轉子位置，其相位差具有較高的穩定性，但波形的畸變程度較高。因此，提高對直流無刷電機無位置傳感器控制的研究十分必要?；诖?，本文提出直流無刷電機無位置傳感器控制方法。

2 建立直流無刷電機模型

與傳統的控制方法相比，無位置傳感器控制方法需要以開環控制的方式運行。因此，為了確保準確判斷電機內運行的狀態，本文首先建立了直流無刷電機模型。由于電機內繞組、反電勢以及轉子的位置以60°等距存在，則在電機的一個運轉周內，理想的換相位置也要以均勻分布的形式存在。假設繞組、反電勢、轉子對應的位置分別為x、x+60、x+120，則換相的理想位置可以表示為：

式中：p表示換相的理想位置；n表示換相位置的個數。一般情況下，當n＞6時，得到的位置信息與之前的計算結果重疊，取n值為6。

此時，電機的無位置傳感運行是在這6個位置上進行的。由于電機反電勢信號的傳遞以電機運轉周期為基礎，當轉子經過反電勢信號位置時，會根據信號對轉速作出調整，并帶動繞組功率產生相應變化，此時反電勢信號的能量值E、轉子的轉速ω、電機的運轉周期T以及繞組的功率P之間的關系為：

式中：D表示電機的運行狀態；t表示運行時刻。

3 直流無刷電機的無位置傳感器控制

3.1 提取換相信號

在信號提取過程中，主要的干擾來自電機母線電壓中的雜波。因此，本文以單位周期內電機的理想反電勢值的變化情況作為依據，判斷雜波的作用強度。當反電勢的位置為初始位置x時，能夠表征的換相位置是以x位置為中心的x+30°以及x-30°，它們與4個換相位置皆以隱藏狀態存在。本文將初始位置x處的反電勢值作為理想反電勢，通過其對應的換相位置信息變動情況，間接計算第i個運轉周期內的理想反電勢變化并進行測量，得到結果精確度較低。假設i周期下的換相位置分別為p1,p2,…,pi，對應位置信息變化分別為p-p1,p-p2,p-pi，則初始位置x的延時相角可以表示為：

式中：θ表示雜波干擾下反電勢傳遞的延時相角。通過直流無刷電機模型對該延時相角對電機狀態產生的影響進行計算，可以得到：

得到其干擾強度后，提取到電機內實際的換相信號f為：

3.2 換相控制

得到準確的換相信號后，即可根據信號內容實現對電機的換相控制。本文利用轉子的運行位置實施無位置傳感器控制技術。實施時要先將電機啟動，并將提取到的換相信號輸入到電機轉子的運行控制中心，在信號作用下轉子的角速度會呈現出相應的變化。此時，可以根據最終轉子的角速度值計算電機內其他部件的參數，其步驟如下：

（1）將轉子的角速度帶入到其與反電勢的計算關系中得到新的反電勢值，通過計算指出與原反電勢的差異；

（2）利用反電勢的變化分析繞組的功率與換相位置功率的比值，并將該比值作為換相操作的調整依據，對理想換相位置信息進行更新；

（3）更新后的理想換相位置會對轉子的運行產生延時影響，此時要將延時均勻分散到各個換相位置，以實現對電機換相的有效控制。

4 應用測試

為測試本文提出方法的應用效果，對其進行了試驗測試，并將文獻[5]和文獻[6]提出的方法作為對照，通過分析3種方法的控制效果，分析本文方法的實際應用價值。

4.1 測試對象介紹

實驗應用的無刷直流電機的結構示意圖如圖1所示。該電機運行時直流母線電壓的電壓值為220 V，D1～D6均為電機內部逆變器的二極管構造，其主要作用是反并聯和為電機運行機組續流，Lm為電機的驅動用功率控制開關，Ln為濾波裝置驅動用功率控制開關。電機內共包含8個電阻，其中，R1為均壓電阻，R2～R5均為相電阻，R6和R7均為電機泄放電阻，R8為二極管保護電阻。無刷直流電機三相電感和互感穩定不變，電機的三相相反電勢隨著電機運行功率的增加而增高，換相信號在電機中的傳遞是按照順時針的方向進行的。測試時，在該設備的R2～R7位置分別連接6個控制器，對電機內電平的高低變化進行檢測，并取其均值作為最終分析依據。

4.2 測試方法

通過交替驅動功率控制開關的狀態將電機在啟動和停止兩個狀態上切換。為了提高測試結果的可靠性，本文采用兩兩導通方式在三相繞組間建立關聯性。當每相繞組導通狀態達到120°后，再將其調整為關斷狀態，并持續60°，以此循環。分別記錄不同控制方法下，母線電壓和電流的結果曲線。為了降低電機轉速對實驗結果的影響，本文以1 000 r·min-1作為數據采集節點。

4.3 測試結果

測試完成后，對比3種方法下母線電壓的變化情況，結果如圖2所示。從圖2可以看出，3種方法中，文獻[5]和文獻[6]的方法控制效果并不理想，電壓與換相前相比均出現了一定偏差。本文方法能夠實現對直流無刷電機的有效控制。另外，對比3種方法下母線電流的變化情況，結果如圖3所示。從圖3可以看出，電流結果與電壓結果存在一定的對應關系，表明2組檢測數據是可靠的。可以發現，文獻[5]和文獻[6]方法的控制效果與上文的分析結果一致，本文方法則始終保持較高的穩定性，并且與換相前的電流具有高度的一致性?？梢姡疚姆椒ň哂辛己玫目刂菩Ч?。

5 結語

直流無刷電機的穩定運行離不開準確有效的控制方法，這不僅是確保換相后轉子位置準確的基礎，也是保護波形的重要條件。本文提出直流無刷電機無位置傳感器控制方法研究，確保了換相前后電機電壓和電流的一致性，可為直流無刷電機的運行控制提供有價值的參考。