無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)的新方法研究*

陳德靖，侯文，鄭浩鑫

（1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，太原030051；2.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原030051；3.中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030051）

無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)的新方法研究*

陳德靖1，侯文2*，鄭浩鑫3

（1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，太原030051；2.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原030051；3.中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030051）

針對(duì)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題，提出了對(duì)三段式閉環(huán)啟動(dòng)中的預(yù)定位、外加速過(guò)程的改進(jìn)方法。在轉(zhuǎn)子定位階段采用基于空間電壓矢量調(diào)制的短時(shí)脈沖來(lái)獲得轉(zhuǎn)子初始位置，精度可達(dá)15°。加速階段采用施加空間電壓矢量，通過(guò)檢測(cè)母線電流變化率確定換相時(shí)刻，當(dāng)速度達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的80%后，通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)法進(jìn)行換相。通過(guò)仿真分析可知，該方法能夠有效的實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)，并提高了啟動(dòng)的可靠性。

無(wú)刷直流電機(jī)；三段式啟動(dòng)；空間電壓矢量；無(wú)位置傳感器

傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部的位置傳感器在很多高壓、高溫、高振動(dòng)、潮濕、等惡劣環(huán)境下降低了系統(tǒng)的可靠性。舵機(jī)的工作環(huán)境常伴有高溫、高壓、高振動(dòng)，而且工作空間狹小，探索在舵機(jī)中使用無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)來(lái)取代有位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)就顯得尤為必要。目前，眾多文獻(xiàn)對(duì)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，文獻(xiàn)［1-3］中均在轉(zhuǎn)子預(yù)定位階段，提出了對(duì)預(yù)先設(shè)定的兩相電樞繞組施以短暫的直流電獲得轉(zhuǎn)子初始位置，但此方法往往由于轉(zhuǎn)子的慣性達(dá)不到很好的效果，而且當(dāng)轉(zhuǎn)子初始位置的永磁磁勢(shì)與通電繞組的合成磁勢(shì)成180°時(shí)，無(wú)法定位轉(zhuǎn)子。文獻(xiàn)［4-6］在加速階段中利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程獲得加速過(guò)程的換相時(shí)間，在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)動(dòng)方程的各參數(shù)難以獲得，且負(fù)載轉(zhuǎn)矩通常在折算過(guò)程中會(huì)引入一些誤差。文獻(xiàn)［7］在加速階段采用擬合函數(shù)的方法過(guò)于依賴采樣時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，使得應(yīng)用時(shí)不靈活，且軟件編程復(fù)雜。文獻(xiàn)［8-9］通過(guò)檢測(cè)比較直流母線峰值電流，獲得換相位置，此方法使電機(jī)在啟動(dòng)加速過(guò)程的全程頻繁地加入檢測(cè)電壓脈沖造成的繞組電流脈動(dòng)，使得效率下降。

本文中轉(zhuǎn)子預(yù)定位與加速過(guò)程的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)均基于鐵芯飽和效應(yīng)，并對(duì)加速環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入討論，使加速過(guò)程中PWM調(diào)制信號(hào)的頻率比舵機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所用的頻率低，針對(duì)在舵機(jī)設(shè)計(jì)中使用無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)的情況進(jìn)行了仿真。

1　轉(zhuǎn)子定位

在啟動(dòng)永磁無(wú)刷直流電機(jī)中，無(wú)論是否有位置傳感器、都需要開(kāi)關(guān)控制電路，以實(shí)現(xiàn)定子繞組的正確換相。本文利用了電機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)編程控制、啟動(dòng)電流信號(hào)的采集等，控制系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示。

圖1　舵機(jī)研究中電機(jī)控制電路框圖

當(dāng)電機(jī)逆變器開(kāi)關(guān)導(dǎo)通順序依次為下式時(shí)，電機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)形成了6個(gè)連續(xù)跳變的定子合成磁勢(shì)。

依據(jù)空間電壓矢量合成所用的電壓平均值原理，三三導(dǎo)通方式可合成6個(gè)空間電壓矢量V1～V6，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)全都關(guān)閉時(shí)，記為零矢量V0，7個(gè)空間電壓矢量如圖2所示。這7個(gè)定子磁場(chǎng)電壓矢量將在電機(jī)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)子預(yù)定位階段及轉(zhuǎn)子加速階段使用。

圖2　空間電壓矢量圖

1.1轉(zhuǎn)子定位原理

無(wú)刷電機(jī)任一相均可寫(xiě)出其電壓平衡方程，以A相為例，

式中，ua為無(wú)刷直流電機(jī)的相電壓，R為相電阻，ia為相電流，ea為相反電動(dòng)勢(shì)。由于電機(jī)的啟動(dòng)瞬間沒(méi)有反電動(dòng)勢(shì)，相電阻很小，可忽略ea和Ria項(xiàng)，于是有

即當(dāng)相電壓為常量時(shí)，電機(jī)繞組電感La與定子繞組電流的變化率成反比。而轉(zhuǎn)子位置和電感的對(duì)應(yīng)變化規(guī)律［8］示意圖如圖3所示，當(dāng)ia≠0時(shí)，繞組磁勢(shì)與永磁磁勢(shì)一起作用，影響了繞組磁路的飽和度及電感的值，這種影響隨轉(zhuǎn)子位置不同而變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子角θ=0和θ=π時(shí)，A相繞組與轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)交鏈最多，飽和度最高，電感值最??；θ=π/2 和θ=3π/2時(shí)，轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)與A相軸線正交，A相磁路飽和度最低，電感值最大。由電機(jī)轉(zhuǎn)子位置與電感的關(guān)系及電感與相電流變化量的關(guān)系，推知可通過(guò)檢測(cè)直流母線上采樣電阻的電壓，來(lái)得到轉(zhuǎn)子的位置［10］，因此可以利用電機(jī)的磁路飽和效應(yīng)來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。

圖3　轉(zhuǎn)子位置和電感的關(guān)系

1.2轉(zhuǎn)子預(yù)定位過(guò)程

在轉(zhuǎn)子預(yù)定位階段，依次給電機(jī)繞組輸入等時(shí)的短時(shí)空間電壓矢量V1、V0、V2、V0、V3、V0、V4、V0、V5、V0、V6、V0，輸入短時(shí)電壓脈沖寬度與電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)Td有關(guān)［11］。在電樞端施加電壓后，經(jīng)過(guò)Td段時(shí)間，電樞電流達(dá)到穩(wěn)定電流的63.2%。為保證在定位轉(zhuǎn)子階段控制系統(tǒng)能夠檢測(cè)到電流，轉(zhuǎn)子卻沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)根據(jù)不同型號(hào)的電機(jī)進(jìn)行探討嘗試以得到脈沖寬度與電氣時(shí)間常數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)母線上檢測(cè)電阻的電壓分別得到短電壓矢量對(duì)應(yīng)的母線電流峰值I1、I2、I3、I4、I5、I6，此時(shí)In=max｛I1，I2，I3，I4，I5，I6｝，將6個(gè)電流值排序，假設(shè)最大電流為In，則相比于其他電壓矢量轉(zhuǎn)子更靠近Vn，即位于Vn-1和Vn+1之間的扇區(qū)，設(shè)轉(zhuǎn)子位置角為θr，可推斷轉(zhuǎn)子位于（n-1/2）·60°＜θr＜（n+1/2）·60°，再比較In+1和In-1的大小，若In+1>In-1，則相比于Vn-1轉(zhuǎn)子更靠近Vn+1，即n·60°＜θr＜（n+1/2）·60°，此時(shí)可推測(cè)轉(zhuǎn)子位于（n+1/4）·60°。同理，當(dāng)In-1>In+1，則相比于Vn+1轉(zhuǎn)子更靠近Vn-1，（n-1/2）·60°＜θr＜n·60°。此時(shí)推測(cè)轉(zhuǎn)子位于（n-1/4）·60°，誤差為±15°。圖4為轉(zhuǎn)子位置估計(jì)過(guò)程，d軸表示轉(zhuǎn)子位置，q軸表示定子磁勢(shì)方向。圖5為轉(zhuǎn)子定位流程圖。

圖4　轉(zhuǎn)子位置估計(jì)

圖5　為轉(zhuǎn)子定位流程圖

2　加速與切換過(guò)程

2.1換相周期計(jì)算

在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中，逆變器開(kāi)關(guān)切換次數(shù)與PWM調(diào)制的工作頻率有關(guān)，此時(shí)若想通過(guò)施加轉(zhuǎn)子位置（轉(zhuǎn)子最靠近Vn）相鄰的短時(shí)電壓矢量Vn+1、Vn+1，檢測(cè)母線電流變化率來(lái)獲得換相時(shí)間，需考慮這兩個(gè)短時(shí)脈沖施加的時(shí)間周期，及何時(shí)開(kāi)始加入檢測(cè)電壓。因此，需要討論無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的單位工作周期及換相周期。

無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)際控制過(guò)程是一個(gè)離散的過(guò)程，這種離散控制的最小周期是PWM調(diào)速時(shí)逆變器開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷一個(gè)周期所需的時(shí)間，即一次PWM周期，可稱為單位工作周期Tu，PWM調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率又稱為工作頻率fu。電機(jī)轉(zhuǎn)速定義為n，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)，取電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)60°為一拍，m為一拍中所包含的單位工作周期數(shù)。電機(jī)一圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間的方程［12-13］為

則得到m=10·fu/n·p，當(dāng)m為非整數(shù)，余數(shù)為r時(shí)，當(dāng)要求電機(jī)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速為n時(shí)，每一拍的單位工作周期數(shù)為m，即當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)個(gè)工作單位周期，進(jìn)行一次換相，換相時(shí)間周期記作Th，則有

當(dāng)轉(zhuǎn)速為0.8n時(shí)，每一拍的單位工作周期數(shù)為m′=12.5·fu/n·p，此時(shí)換相周期為T(mén)k，則有

2.2加速過(guò)程

使用短時(shí)電壓矢量檢測(cè)針對(duì)在電機(jī)在啟動(dòng)加速過(guò)程中頻繁的加入檢測(cè)電壓脈沖造成的繞組電流脈動(dòng)，降低了效率，本文為了解決上述問(wèn)題，擬采用如下方法，即在加速階段使用中高頻PWM調(diào)制信號(hào)，降低了在一拍內(nèi)逆變器開(kāi)關(guān)頻次，增加了在一拍內(nèi)的單位周期，以使兩個(gè)用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置短時(shí)電壓矢量的周期在一個(gè)PWM開(kāi)關(guān)周期內(nèi)。在換相過(guò)程中，記錄每次換相的時(shí)間，并從換相開(kāi)始計(jì)時(shí)，記作t，根據(jù)電機(jī)啟動(dòng)后的穩(wěn)定速度n及工作頻率fu得到換相時(shí)間周期Th，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)每次換相后的時(shí)間t≥Th時(shí)，開(kāi)始以一定頻率在控制中加入短時(shí)電壓矢量，并檢測(cè)峰值電流變化率ΔIn+1和ΔIn-1，當(dāng)|ΔIn+1-ΔIn-1|＜ΔI時(shí)，進(jìn)行換相，此時(shí)電機(jī)處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，通入短時(shí)電壓矢量的時(shí)間應(yīng)遠(yuǎn)小于電機(jī)電氣時(shí)間常數(shù)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到要求轉(zhuǎn)速的80%時(shí)，已可以檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的80%時(shí)的換相周期為T(mén)k，當(dāng)|t-Tk|≤Δt時(shí)，切換至反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法進(jìn)行換相。圖6為利用上述方法起動(dòng)的流程圖。

圖6　啟動(dòng)過(guò)程的流程圖

3　仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在MATLAB/SIMULINK中建立了仿真模型，三相無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)仿真模型的參數(shù)如下：額定電壓UN=48 V；額定轉(zhuǎn)速nN=1 500 r/min；額定轉(zhuǎn)矩TN=0.3 N·m；相電阻R=0.36 Ω；電樞電感L=0.16 mH；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.000 6 kg·m2；極對(duì)數(shù)p=2。

圖7為電機(jī)空載時(shí)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速變化圖，由圖可知，電機(jī)加速過(guò)程轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，電機(jī)在1 200 r/min時(shí)切換至反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)方法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，在切換時(shí)轉(zhuǎn)速稍有波動(dòng)。圖8為轉(zhuǎn)子位置圖，顯示了電機(jī)在加速過(guò)程中轉(zhuǎn)子位置隨時(shí)間的改變，轉(zhuǎn)子位置變化連續(xù)、穩(wěn)定，不存在失步等問(wèn)題，由圖7、圖8可知此方法能夠順利完成電機(jī)啟動(dòng)。圖9為當(dāng)給電機(jī)加額定轉(zhuǎn)矩T=0.3 N·m時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)情況，由圖可見(jiàn)，加入負(fù)載后剛開(kāi)始有一些波動(dòng)，大約在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定。圖10為電機(jī)C相電流，在0.35 s以后C相電流是穩(wěn)定的，此時(shí)轉(zhuǎn)速已達(dá)到穩(wěn)定。

圖7　電機(jī)轉(zhuǎn)速圖

圖8　轉(zhuǎn)子位置圖

圖9　轉(zhuǎn)矩響應(yīng)圖

圖10　相電流曲線

4　結(jié)論

本文在短時(shí)電壓矢量脈沖閉環(huán)啟動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了中高頻啟動(dòng)方法，該方法有效的減少了啟動(dòng)加速過(guò)程中檢測(cè)脈沖的數(shù)量，改善了啟動(dòng)效果，克服了傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)方法啟動(dòng)易失敗的問(wèn)題，并進(jìn)一步研究了換相周期與檢測(cè)時(shí)間的關(guān)系，有利于進(jìn)一步改善啟動(dòng)的研究。以上結(jié)論，尚待在舵機(jī)測(cè)控的相關(guān)實(shí)踐中驗(yàn)證，特別是在隨機(jī)干擾環(huán)境中驗(yàn)證，以求進(jìn)一步改進(jìn)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)的方法和技術(shù)。

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陳德靖（1989-），女，漢族，內(nèi)蒙古通遼人，中北大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事自動(dòng)化測(cè)試與控制技術(shù)的研究，chendejing@126.com；

侯文（1967-），男，教授，山西太原人，中北大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事自動(dòng)化測(cè)試與控制技術(shù)，動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器的研究，13327512575@qq.com。

Further Study for the Sensorless Brushless DC motor Start Method*

CHEN Dejing1，HOU Wen2*，ZHENG Haoxin3
（1.School of Instrument and Electronics，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.School of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.School of Mechanical and Power Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Aiming at the starting problem of sensorless permanent magnet brushless DC motor（BLDCM），an im?proved start-up strategy in the initial rotor-position and the acceleration process which is based on closed-loop 3-step start-up strategy is proposed.In the rotor positioning stage，short space vector modulation is used to obtain initial rotor position，and the accuracy is up to 15°.In the rotor acceleration stage，short space vector is applied to determine the stator phase commutation by detecting the bus current rate of change.After the rate reaches 80%of rated speed，the method of back EMF is turned to use for commutation.The simulation analysis shows that this method can effectively implement motor starting，and the reliability of the motor start has improved.

BLDCM；three-step start；space voltage vector；without Position Sensor

TM38

A

1005-9490（2016）02-0407-05

EEACC：832010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.033

項(xiàng)目來(lái)源：山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014011024-6）

2015-06-23修改日期：2015-07-30