無刷直流電動機(jī)無位置傳感器起動控制的研究

王小寧，王宜懷，丁 偉

(蘇州大學(xué)，蘇州 215006)

0 引 言

作為直流電動機(jī)的一種，無刷直流電動機(jī)不僅具有直流電動機(jī)運(yùn)行效率高、過載能力強(qiáng)、無勵磁損耗以及良好的調(diào)速性能等特點(diǎn)。同時，使用電子換相器讓其也具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、易于維護(hù)等其他優(yōu)點(diǎn)。不過無刷直流電動機(jī)中的位置傳感器會增加電機(jī)的體積和成本，并且會降低電機(jī)的運(yùn)行可靠性。無位置傳感器控制方法可以克服上述問題。目前最常用的無位置傳感器控制方法是電機(jī)定子繞組反電勢檢測法[1-4]。不過，在電機(jī)低速旋轉(zhuǎn)或者起動時,對反電勢的檢測會存在很大的干擾和誤差。因此需要采取另外的檢測技術(shù)來使電機(jī)起動。從文獻(xiàn)中來看， “三段式”的起動方法使用較多[5-6]。首先對轉(zhuǎn)子進(jìn)行預(yù)定位，然后讓電機(jī)轉(zhuǎn)入外同步狀態(tài)工作，當(dāng)反電勢建立起來后，再使用反電勢法控制，之后電機(jī)運(yùn)行在自同步階段。這種方式比較容易受到一些先決條件的影響，如負(fù)載轉(zhuǎn)矩和外部施加電壓等；文獻(xiàn)[7-8]提出了基于電感法的起動方法，通過加載6個短時檢測脈沖，并比較電流檢測的峰值來確定當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置，該方法僅比較電流采樣峰值，并不能真實(shí)反映電流變化率，造成轉(zhuǎn)子預(yù)定位錯誤，并且在加速時加載6個脈沖判斷位置，操作復(fù)雜。本文提出了一種新的基于電感法的起動方法，起動時在記錄每次電流峰值的基礎(chǔ)上，將同時記錄電流超過閾值的抬升時間，通過兩者的綜合判斷來確定當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置，同時優(yōu)化了傳統(tǒng)方法的加速再定位過程，加速過程中只需加入兩個檢測脈沖便可以確定當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置。

1 電感法轉(zhuǎn)子位置檢測基本原理

電感法是根據(jù)無刷直流電動機(jī)定子繞組磁鏈的特點(diǎn)，通過其不同的觀測值來最終確定無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置的方法[10]。

無刷直流電動機(jī)一相電壓平衡方程：

(1)

式中：Ux為無刷直流電動機(jī)相電壓；R為相電阻；ix為相電流；Lx為相電感；ex為相反電勢。

電機(jī)起動時沒有反電勢，同時也不考慮電阻壓降，所以相電壓：

(2)

根據(jù)公式可知，當(dāng)無刷直流電動機(jī)一相繞組施加一定的電壓Ux后，繞組的電感變化和電流變化率成反比。電感增大，則電流變化率減??；反之則增大。一相繞組的電感：

(3)

式中：Lx為相電感；Nx為繞組有效匝數(shù)；Λm為電機(jī)主磁路對應(yīng)的磁導(dǎo)。

當(dāng)繞組有效匝數(shù)一定時，繞組的電感和主磁路磁導(dǎo)成正比，無刷直流電動機(jī)的氣隙磁導(dǎo)相對較小，主要為鐵心磁導(dǎo)，因此繞組電感近似與電機(jī)鐵心磁導(dǎo)率μ成正比[9]。硅鋼片的磁化曲線和磁導(dǎo)率曲線的關(guān)系如圖1所示。

圖1 磁化曲線和磁導(dǎo)率曲線關(guān)系圖

由圖1可知，硅鋼片的磁化曲線是非線性的，但其一般工作在最大磁導(dǎo)率右側(cè)，因此如果如圖2(a)所示的定子和轉(zhuǎn)子相對位置處于順磁方向，則磁導(dǎo)率下降，電感減小，相應(yīng)的電流變化率增大。如果如圖2(b)所示的兩者處于逆磁方向，則磁導(dǎo)率上升，電感增加，相應(yīng)的電流變化率減小。

(a) 順磁方向

(b) 逆磁方向

根據(jù)以上分析，可以通過施加短時檢測脈沖的方法，來確定相應(yīng)的電流變化率。將電流變化率逆推回去，可以準(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)子所處位置范圍，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的零速起動。

2 無位置傳感器無刷直流電動機(jī)起動新方法的實(shí)現(xiàn)

無位置傳感器無刷直流電動機(jī)定位起動包括以下3個步驟。第一，定位轉(zhuǎn)子的初始位置；第二，在轉(zhuǎn)子緩慢加速過程中對其進(jìn)行再次定位；第三，在電機(jī)運(yùn)行中的狀態(tài)切換。在定位轉(zhuǎn)子的初始位置時，首先設(shè)定電流采樣點(diǎn)的看門狗電壓閾值，接著按圖3將檢測脈沖電壓A(+)B(-)C(-)施加到電機(jī)上。在打開看門狗定時器的同時，不斷對采集的電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)電流檢測模塊輸出的電壓值超過看門狗閾值電壓后，記錄下此時的定時器數(shù)值Tp1。當(dāng)整個檢測結(jié)束后，再得到一個峰值電流Ip1。最后利用式(4)，記錄此次加載的電流變化率ΔIp1：

(4)

接下來按同樣方法將檢測脈沖電壓B(+)C(+)A(-)施加到電機(jī)上，并記錄此次的計數(shù)器值Tp2，峰值電流Ip2以及電流變化率ΔIp2。

假設(shè)轉(zhuǎn)子位置如圖3所示，當(dāng)按照A(+)B(-)C(-)通電時，轉(zhuǎn)子磁勢將對定子磁勢產(chǎn)生去磁作用，電感增加，電流變化率減小。

按照B(+)C(+)A(-)通電則效果正好相反。實(shí)際測量可得ΔIp1<ΔIp2。這樣進(jìn)一步逆推回去，可以將轉(zhuǎn)子位置確定在180°的范圍內(nèi)，如圖3陰影部分所示。

圖3 第一輪脈沖檢測

將轉(zhuǎn)子位置確定在180°的范圍內(nèi)，還不能滿足要求。為了實(shí)現(xiàn)更精確定位，按照上述方法再次施加C(+)A(-)B(-)和A(+)B(+)C(-)兩個檢測脈沖，最終記錄下ΔIp3和ΔIp4，通過比較兩者的值再逆推回去，就可以將轉(zhuǎn)子確定在新的180°范圍內(nèi)，如圖4(a)所示。綜合前兩個脈沖的檢測，則可以把轉(zhuǎn)子位置確定在120°范圍內(nèi)，如圖4(b)所示。

(a) 檢測確定區(qū)域

(b) 綜合后確定區(qū)域

最后繼續(xù)按照上述方法，施加B(+)A(-)C(-)和A(+)C(+)B(-)兩個檢測脈沖，記錄下ΔIp5和ΔIp6。通過比較兩者的大小再逆推回去，將轉(zhuǎn)子確定在新的180°范圍內(nèi)，如圖5(a)所示。綜合前3個脈沖的檢測，最終把轉(zhuǎn)子位置確定在60°范圍以內(nèi)，如圖5(b)所示，從而完成轉(zhuǎn)子的初始定位過程。

(a) 檢測確定區(qū)域

(b) 綜合后確定區(qū)域

在確定轉(zhuǎn)子初始位置后，需要確定對應(yīng)導(dǎo)通的電機(jī)相線來進(jìn)行加速，通過列表方式，將初始位置和導(dǎo)通相線對應(yīng)起來。對于每次比較的電流變化率，若ΔIpn>ΔIp(n+1)(n=1,2,3)，則將相應(yīng)的Pn(n=1,2,3)置1，否則為0，從而有P1，P2，P3的組合值，來確定比較結(jié)果。根據(jù)比較結(jié)果，確定轉(zhuǎn)子位置，并列出需要導(dǎo)通的電機(jī)相線，如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)子位置與起動輸出表

確定好需要導(dǎo)通的相線后，則進(jìn)入轉(zhuǎn)子加速階段。傳統(tǒng)方法通常繼續(xù)發(fā)出6個脈沖來檢測當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置，而通過觀察表1我們可知，電機(jī)每運(yùn)行過一個位置，P1，P2，P3可僅有一個值會改變。所以，在對電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行再次定位時，僅需要判斷P1，P2，P3中的某一個值是否變化即可確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置。例如，轉(zhuǎn)子初始位置為(30°～90°)P1，P2，P3的組合值為001。所以，第一個驅(qū)動脈沖完成之后，只需發(fā)出檢測P1對應(yīng)的2個檢測脈沖，判斷P1是否發(fā)生變化，若P1發(fā)生變化，電機(jī)導(dǎo)通的相線由A-b變化為A-c。隨著加速的逐步完成，反電勢建立后便可完全切入反電勢運(yùn)行狀態(tài)，完成電機(jī)的起動。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文在基于STM32F031的無刷直流電動機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文提出的無位置傳感器無刷直流電動機(jī)的控制方法。實(shí)驗(yàn)用無刷直流電動機(jī)參數(shù)如表2所示。

首先測試了轉(zhuǎn)速響應(yīng)情況。圖6(a)為有傳感器狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。圖6(b)為采用本文的改進(jìn)型脈沖檢測法的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。通過對比可知，使用本文的改進(jìn)型脈沖檢測法可以實(shí)現(xiàn)額定負(fù)載情況下正常起動，并且在起動完成后可以順暢地切換到反電勢運(yùn)行狀態(tài)，并能較快穩(wěn)定于額定轉(zhuǎn)速。

表2 實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)

(a) 有傳感器運(yùn)行速度曲線

(b) 改進(jìn)型脈沖檢測法速度曲線

接下來對兩種情況的起動電流波形進(jìn)行對比。圖7(a)為有傳感器情況起動電流波形，圖7(b)為采用改進(jìn)型脈沖檢測法的起動電流波形?？梢钥闯?，采用本文的起動方法，電流沒有傳統(tǒng)三段式起動的明顯抬升或異常。

(a) 有傳感器電流波形

(b) 改進(jìn)型脈沖檢測法電流波形

由上述分析可得，本文的起動方法能夠準(zhǔn)確判斷出起動時轉(zhuǎn)子的初始位置，并順利加速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常起動。

4 結(jié) 語

本文提出的無傳感器無刷直流電動機(jī)起動方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)電感法比較電流峰值的方法，提高了轉(zhuǎn)子初始位置估計的準(zhǔn)確度。在加速階段減少了注入脈沖的數(shù)量，有效地簡化了加速階段的處理，提高了起動可靠性。同時，該方法可以有效地解決當(dāng)前采用的多數(shù)反電勢技術(shù)中存在的問題，并改善在無位置傳感器的無刷直流電動機(jī)起動技術(shù)中電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置難以估計及零速起動等問題。

考慮到電機(jī)制作時工藝的限制，各相繞組的電感和電阻值與理論值之間會有一定的偏差，對電流的檢測值會產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而影響定位精度。為此，需要對改進(jìn)型脈沖檢測法做進(jìn)一步的研究?？梢酝ㄟ^在線測量電機(jī)繞組的電感和電阻，來補(bǔ)償與理論值之間的誤差，從而提高該方法的適配性?？傊?，該方法當(dāng)前可以實(shí)現(xiàn)高精度的無傳感器無刷直流電動機(jī)的起動和運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著在該方向的深入研究，該起動控制方法的可用范圍將逐步擴(kuò)大。

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