無刷直流電機(jī)無位置傳感器的矢量控制

趙天劍　王林莉　采長濤

【摘 要】矢量控制的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的應(yīng)用越來越多，在工業(yè)與商業(yè)領(lǐng)域的地位日漸提高。無刷直流電動機(jī)的控制關(guān)鍵就是轉(zhuǎn)子位置的獲取，本文研究無位置傳感器的反電動勢過零檢測法優(yōu)點(diǎn)突出，并結(jié)合矢量控制，能使無刷直流電機(jī)穩(wěn)定高速運(yùn)行，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值極高。

【關(guān)鍵詞】無刷直流電機(jī)；矢量控制；無位置傳感器

0 緒論

現(xiàn)如今的電機(jī)發(fā)展歷程中，無刷直流電機(jī)（BLDC）進(jìn)步迅速且應(yīng)用廣泛。BLDC在家用電器、汽車工業(yè)、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)4.0等眾多領(lǐng)域有著出色的表現(xiàn)。

根據(jù)工作特性的不同，無刷直流電機(jī)可以分為兩類：

（1）矩形波同步電機(jī)，顧名思義，它的反電動勢波形和供電電流波形都是矩形波，它就是所要討論的BLDC。這種無刷直流電機(jī)有擁有刷直流電機(jī)的各種運(yùn)行優(yōu)點(diǎn)，比如啟動和調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣而平滑，過載能力強(qiáng)等，并且有效地克服了有刷直流電機(jī)換向困難損耗大的缺點(diǎn)。

（2）正弦波同步電機(jī)，此電機(jī)雖然依然是利用直流電供電，但是它需要通過逆變器先將直流轉(zhuǎn)換為交流，再供給電機(jī)使用，是具有交流特性的無刷直流電機(jī)。

1 無位置傳感器的位置檢測

無刷直流電機(jī)的位置檢測是其極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，關(guān)系到BLDC的穩(wěn)定工作，是組成BLDC系統(tǒng)的三大部分之一，也是跟有刷電機(jī)相區(qū)別的主要標(biāo)志，它的目的是把轉(zhuǎn)子的位置信號進(jìn)行檢測并轉(zhuǎn)化為電信號，為控制電路提供換向信息，從而控制定子繞組依次以正確的方式通電，來帶動轉(zhuǎn)子持續(xù)穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)。

1.1 有位置傳感器的位置檢測方法

光電式位置傳感器的原理是光電效應(yīng)，可以利用衍射、投射、反射、折射等現(xiàn)象來測量位移、角速度，可以不跟被測對象直接接觸，因而不存在摩擦等外部干擾。將它安裝在BLDC轉(zhuǎn)子的遮光部分，再在定子上安裝穩(wěn)定的光源，即可測得所需的信號，信號經(jīng)整形后可使用，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴且適應(yīng)力不強(qiáng)。

電磁式位置傳感器是針對測速齒輪設(shè)計(jì)的發(fā)電型傳感器，利用的是電磁感應(yīng)原理，把被測量在導(dǎo)體中感生的磁通量變化轉(zhuǎn)換出輸出信號變化。它輸出的信號大，只要經(jīng)過整流以后便可控制，抗干擾性強(qiáng)，在惡劣環(huán)境中也能正常使用，缺點(diǎn)是不適合轉(zhuǎn)速過高的情況。

磁敏式位置傳感器用的最多的就是通常所說的霍爾傳感器，依據(jù)的是霍爾效應(yīng)原理，是在有位置傳感器的BLDC中應(yīng)用最廣泛的，它對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，成本也比較低，精度高，性能好。

1.2 無位置傳感器的位置檢測方法

BLDC如安裝了位置傳感器不但會增大電機(jī)的體積，制作成本提高了，而且會使其的可靠性變低，所以無位置傳感器的BLDC應(yīng)用變得廣泛起來。它一般分為兩個(gè)類別，分別應(yīng)用于高速和低速兩種情況。

一般情況下，在一個(gè)電度角周期中，為了使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生最大平均轉(zhuǎn)矩，會有6種換向狀態(tài)，這種方法是通過測量不導(dǎo)通相的端電壓，將其與中點(diǎn)電壓相比，從而可以獲取反電動勢過零點(diǎn)。但是如果對象是小電樞電感的BLDC，繞組的中點(diǎn)電壓就會變得難以準(zhǔn)確獲取，所以經(jīng)常被使用的是虛擬中點(diǎn)電壓法。

2 無刷直流電機(jī)的工作原理及數(shù)學(xué)模型

2.1 工作原理

對于有刷直流電機(jī)，擁有旋轉(zhuǎn)電樞和固定磁場，但是對于BLDC來說，是旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞，晶閘管、晶體管等功率開關(guān)器件可以與外部的電樞相連接。

無刷直流電機(jī)采取的是電子換向方式，可以用位置傳感器測得轉(zhuǎn)子的精確位置，然后改變定子電樞的通電方式進(jìn)行換向，來使得電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，當(dāng)然也有無位置傳感器的控制方式。

2.2 運(yùn)行特性

通過輸入電功率，從而輸出機(jī)械功率，是對電機(jī)最基本的要求，所以轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是最重要的數(shù)據(jù)，因而就要知道轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，所以講其運(yùn)行特性分為起動特性、工作特性、機(jī)械特性和調(diào)速特性。

2.3 BLDC數(shù)學(xué)模型和矢量控制原理

無刷直流電機(jī)的反電動勢波形為正弦波時(shí)，電子與轉(zhuǎn)子之間的參數(shù)難以得到精確的數(shù)據(jù)，所以就需要建議BLDC數(shù)學(xué)模型。在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，需要把電機(jī)的磁路看做線性磁路，對磁路飽和、磁滯以及渦流影響忽略不計(jì)。轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成，定子是一組三相對稱的線圈繞組，三者之間距離為120°的電角度。本文研究的BLDC為正弦波同步電機(jī)，電動勢與反電動勢均為正弦波，按正弦規(guī)律變化，對高次諧波磁勢忽略不計(jì)。

一般情況下，矢量控制在兩種坐標(biāo)系下進(jìn)行，靜止坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。其中，Park變換是兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換。

另外一種就是三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的Clark變換，因?yàn)榇艅莘植己凸β适遣蛔兊?，所以兩者之間的磁勢相等。

3 結(jié)論

本文對于無位置傳感器的BLDC進(jìn)行了詳盡的研究，使用矢量控制的方法對于控制此電機(jī)具有優(yōu)異的效果，系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性和可靠性大大增強(qiáng)，能使得電機(jī)工作過程中穩(wěn)定高速運(yùn)行，且功耗較低，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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