一種基于電壓脈沖注入的對(duì)轉(zhuǎn)無(wú)刷直流電機(jī)起動(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)無(wú)刷直流電機(jī)起動(dòng)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(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

為解決反電勢(shì)法無(wú)法實(shí)現(xiàn)電機(jī)自起動(dòng)的問(wèn)題, 結(jié)合對(duì)轉(zhuǎn)無(wú)刷直流電機(jī)永磁體轉(zhuǎn)子的凸極性, 提出了一種改進(jìn)的電壓脈沖注入定位起動(dòng)方法, 該方法通過(guò)向電機(jī)電樞繞組注入開關(guān)電壓矢量, 利用電壓矢量產(chǎn)生的電流響應(yīng)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置角, 以此實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子定位、起動(dòng)和加速。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

對(duì)轉(zhuǎn)無(wú)刷直流電機(jī); 起動(dòng); 電壓脈沖注入; 反電勢(shì)法

0 引言

對(duì)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)在水下推進(jìn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛, 其特殊的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)結(jié)合對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳, 可以有效抑制水下航行器的橫傾。近年來(lái), 隨著永磁體材料和大功率電力電子器件的發(fā)展, 對(duì)轉(zhuǎn)永磁無(wú)刷直流電機(jī)開始應(yīng)用于水下航行器中[1-2]。

無(wú)刷直流電機(jī)依靠轉(zhuǎn)子位置信號(hào)產(chǎn)生控制邏輯, 來(lái)驅(qū)動(dòng)電子換相器, 使電機(jī)輸出持續(xù)的轉(zhuǎn)矩維持運(yùn)轉(zhuǎn)。位置信號(hào)通常由安裝在電機(jī)內(nèi)部的位置傳感器獲得, 位置傳感器的存在增加了無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性, 降低了系統(tǒng)的可靠性, 因此, 無(wú)位置傳感器控制技術(shù)一直受到國(guó)內(nèi)外研究人員的重視。目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的是反電勢(shì)法[3], 但是這種方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自起動(dòng), 必須使用特殊的起動(dòng)方法, 待電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后切換至無(wú)位置傳感器控制。目前見于文獻(xiàn)的起動(dòng)方法主要包括三段式起動(dòng)法、預(yù)定位起動(dòng)法和高頻信號(hào)注入定位起動(dòng)法等[3-4]。本文結(jié)合水下推進(jìn)器特點(diǎn), 針對(duì)永磁體為插入式安裝的對(duì)轉(zhuǎn)無(wú)刷直流電機(jī), 提出了一種改進(jìn)的電壓脈沖注入定位起動(dòng)方法。

1 電壓脈沖注入法原理

對(duì)轉(zhuǎn)無(wú)刷直流電機(jī)的永磁體為插入式安裝, 由于永磁磁極與鐵心的磁導(dǎo)率不同, 使電機(jī)呈現(xiàn)了凸極性。對(duì)于這種凸極轉(zhuǎn)子的電機(jī)而言, 一個(gè)重要特征就是繞組的自感和互感隨2個(gè)轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置角的函數(shù), 電壓脈沖注入法正是利用了這一特性, 從不同方向?qū)﹄姍C(jī)施加電壓空間矢量, 通過(guò)測(cè)量其電流響應(yīng)來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子的位置。

正常運(yùn)行狀態(tài)下的對(duì)轉(zhuǎn)無(wú)刷直流電機(jī)為三相兩兩導(dǎo)通方式, 即每一瞬間有2個(gè)功率管導(dǎo)通。為了清楚地描述電壓空間矢量, 本文利用6個(gè)逆變器功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)即6位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示電壓空間矢量, 如果約定1位二進(jìn)制數(shù)的0 表示功率開關(guān)管關(guān)斷, 1 表示功率開關(guān)管導(dǎo)通, 則可得到各功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)與6個(gè)非零電壓空間矢量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

2 改進(jìn)的電壓脈沖注入定位起動(dòng)法

2.1 轉(zhuǎn)子初始相對(duì)位置的估計(jì)

本文提出的方法分為2個(gè)階段, 第1階段將轉(zhuǎn)子相對(duì)位置初步定位在30°精度范圍內(nèi)[5]; 第2階段, 利用3個(gè)開關(guān)電壓矢量電流響應(yīng)的特點(diǎn), 進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)子相對(duì)位置的估計(jì)精度[5]。

2.2 加速過(guò)程

圖2 長(zhǎng)短交替的開關(guān)電壓矢量及其電流響應(yīng)

表1 1個(gè)電周期內(nèi)的長(zhǎng)短開關(guān)電壓矢量組合

2.3 切換過(guò)程

電機(jī)起動(dòng)加速到一定速度以后, 就可以將電機(jī)切換至自同步運(yùn)行狀態(tài)。在起動(dòng)過(guò)程中, 通過(guò)施加2個(gè)相鄰的開關(guān)電壓矢量, 可以判斷轉(zhuǎn)子位置所在區(qū)間并且獲得電機(jī)的換相時(shí)刻, 將這個(gè)換相時(shí)刻稱為真實(shí)換相時(shí)刻; 另一方面, 在每次施加長(zhǎng)開關(guān)電壓矢量時(shí), 利用反電勢(shì)法可以估算出電機(jī)的換相時(shí)刻, 將其稱之為預(yù)估換相時(shí)刻, 將預(yù)估換相時(shí)刻與真實(shí)換相時(shí)刻進(jìn)行比較, 若連續(xù)3次檢測(cè)到二者相等, 認(rèn)為切換條件滿足, 將預(yù)估換相時(shí)刻作為電機(jī)的真實(shí)換相時(shí)刻控制電機(jī)運(yùn)行, 也就是將電機(jī)切換至無(wú)傳感器控制狀態(tài)。至此, 電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3是轉(zhuǎn)子初始相對(duì)位置分別為60°和120°時(shí)注入的開關(guān)電壓矢量的電流響應(yīng)曲線。表2給出了這2種情況下轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和按照本文提出算法估計(jì)得到的位置角度值的對(duì)比。從表2可以看出, 按照這種方法能夠有效地估算出試驗(yàn)電機(jī)的初始轉(zhuǎn)子位置, 估算誤差在5°電角度以內(nèi), 這個(gè)誤差足以滿足電機(jī)起動(dòng)的需要。

圖4給出了電機(jī)在加速過(guò)程中注入的長(zhǎng)短脈沖序列產(chǎn)生的電流響應(yīng)曲線, 其中位置檢測(cè)輔助脈沖即短脈沖的作用時(shí)間為250 μs, 加速脈沖即長(zhǎng)脈沖的作用時(shí)間為750 μs。從圖中可以看出, 位置檢測(cè)輔助脈沖的電流響應(yīng)幅值逐漸減小, 這是由于轉(zhuǎn)子位置變化導(dǎo)致繞組的電感發(fā)生了變化, 此外, 當(dāng)電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)以后, 繞組內(nèi)部產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)也會(huì)對(duì)電流響應(yīng)的幅值有所影響, 不過(guò)由于轉(zhuǎn)速較低, 這種影響不會(huì)很大。

圖3 轉(zhuǎn)子在不同初始相對(duì)位置時(shí)開關(guān)電壓矢量的電流響應(yīng)

表2 2種情況下轉(zhuǎn)子實(shí)際位置估計(jì)位置對(duì)比

圖4 加速過(guò)程電流響應(yīng)曲線

當(dāng)加速脈沖在250 μs時(shí)刻的電流響應(yīng)大于此刻位置檢測(cè)輔助脈沖產(chǎn)生的電流響應(yīng)時(shí), 電機(jī)進(jìn)行換相操作, 即: 將當(dāng)前位置檢測(cè)輔助脈沖變?yōu)榧铀倜}沖, 并將下一區(qū)間能夠產(chǎn)生最大電磁轉(zhuǎn)矩的開關(guān)電壓矢量作為新的位置檢測(cè)輔助脈沖。

圖5給出了換相點(diǎn)附近的2組電流響應(yīng)曲線。從圖5(a)中可以看出, 此時(shí)位置檢測(cè)輔助脈沖在250 μs處產(chǎn)生的電流響應(yīng)比加速脈沖在250 μs處產(chǎn)生的電流響應(yīng)大, 此時(shí)還沒(méi)有到換相時(shí)刻, 而在圖5(b)中, 位置檢測(cè)輔助脈沖脈沖在250 μs處產(chǎn)生的電流響應(yīng)開始比加速脈沖在250 μs處產(chǎn)生的電流響應(yīng)小, 這時(shí)應(yīng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行換相。如此反復(fù), 電機(jī)的轉(zhuǎn)速在加速脈沖的作用下逐漸上升, 直至達(dá)到切換條件。

圖6是在50 N·m恒定負(fù)載下, 電機(jī)從靜止起動(dòng)到900 r/min穩(wěn)定運(yùn)行整個(gè)過(guò)程電樞轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速曲線。電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)際值是利用安裝在電機(jī)軸端的轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的, 從圖中可以看出, 本文提出的基于電壓脈沖注入的轉(zhuǎn)子定位起動(dòng)方法能夠確保電機(jī)可靠起動(dòng), 整個(gè)過(guò)程中轉(zhuǎn)速比較平穩(wěn), 沒(méi)有出現(xiàn)大的波動(dòng); 向無(wú)位置傳感器閉環(huán)運(yùn)行的切換點(diǎn)轉(zhuǎn)速約等于180 r/min, 為額定轉(zhuǎn)速的12%。由于在轉(zhuǎn)子初始相對(duì)位置估計(jì)階段和加速階段電機(jī)屬于開環(huán)運(yùn)行, 因此這2個(gè)階段電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值為零, 電機(jī)進(jìn)入無(wú)位置傳感器閉環(huán)控制運(yùn)行狀態(tài)以后, 為了保證電機(jī)的穩(wěn)定過(guò)渡, 程序中采取逐步加大轉(zhuǎn)速設(shè)定值的辦法, 使電機(jī)的轉(zhuǎn)速快速穩(wěn)定上升。電機(jī)轉(zhuǎn)速的估計(jì)值是通過(guò)測(cè)量2次換相控制信號(hào)的時(shí)間間隔來(lái)獲得, 但是這種方法只能估計(jì)電機(jī)2個(gè)轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)速, 由于對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速差別不大, 因此將上電機(jī)2個(gè)轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)速的二分之一作為電樞轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速估計(jì)值。由于在加速過(guò)程中獲得的電機(jī)換相控制脈沖信號(hào)與電機(jī)的實(shí)際換相信號(hào)存在相位差, 因此這個(gè)階段轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差比較大, 進(jìn)入閉環(huán)控制階段以后, 電機(jī)轉(zhuǎn)速的估計(jì)值和實(shí)際值就比較接近了, 這也說(shuō)明上述轉(zhuǎn)速估計(jì)方法是可以滿足系統(tǒng)的控制要求的。

圖5 加速過(guò)程換相點(diǎn)附近的電流響應(yīng)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用對(duì)轉(zhuǎn)永磁無(wú)刷直流電機(jī)永磁體轉(zhuǎn)子的凸極性和電樞轉(zhuǎn)子鐵心的磁飽和性, 提出了一種基于電壓脈沖注入的轉(zhuǎn)子初始相對(duì)位置估計(jì)方法, 這種方法利用永磁體轉(zhuǎn)子N極附近的3個(gè)開關(guān)電壓矢量產(chǎn)生的電流響應(yīng), 準(zhǔn)確估計(jì)了轉(zhuǎn)子初始相對(duì)位置; 在電機(jī)加速過(guò)程中, 采用長(zhǎng)短脈沖序列交替作用于電機(jī), 通過(guò)測(cè)量并比較相同作用時(shí)間內(nèi)二者產(chǎn)生的電流響應(yīng)的方法來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子相對(duì)位置, 以控制電機(jī)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(jì)法在電機(jī)轉(zhuǎn)速升高后所帶來(lái)的一些問(wèn)題。試驗(yàn)結(jié)果表明, 本文提出的方法能夠保證電機(jī)在帶負(fù)載條件下快速定位與起動(dòng), 整個(gè)起動(dòng)過(guò)程平穩(wěn), 沒(méi)有出現(xiàn)振蕩和反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖6 起動(dòng)過(guò)程電樞轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速曲線

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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(shù)方向研究.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)