城市軌道交通車輛牽引電動(dòng)機(jī)無(wú)位置控制探究

馮 準(zhǔn) 時(shí)龍震

1.遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧錦州 121000；2.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，江蘇蘇州 215000

現(xiàn)代城市大力發(fā)展軌道交通，通車城市及延長(zhǎng)公里數(shù)逐漸增加，使得地鐵車輛使用程度大大增加。在自動(dòng)化程度相對(duì)發(fā)達(dá)的現(xiàn)今階段，地鐵車輛控制方式采用ATC，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛模式，而在自動(dòng)駕駛模式中，現(xiàn)今使用的設(shè)備必不可缺的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備是霍爾傳感器。而由于地鐵車輛的特殊工作環(huán)境（大量運(yùn)行里程都在隧道內(nèi)），導(dǎo)致霍爾傳感器故障率升高，通過(guò)取消霍爾傳感器，用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)取代直流電動(dòng)機(jī)，利用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)各相繞組本身存在的反電勢(shì)作，通過(guò)過(guò)零檢測(cè)法獲取電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置代替原有位置傳感器的作用，參與電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)地鐵車輛安全運(yùn)行。

1 控制方式的選擇

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究大多集中在其速度和位置控制技術(shù)上。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)速度伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用電流、速度雙閉環(huán)控制，電流環(huán)采用傳統(tǒng)的PI控制，速度環(huán)既可采用PI控制，也可根據(jù)運(yùn)行條件選擇合適的控制策略。

反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法；業(yè)內(nèi)人士提出了對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的諸多辦法，針對(duì)本課題研究的調(diào)速系統(tǒng)做到檢測(cè)到懸空相的過(guò)零點(diǎn)從相即可滿足本課題對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)換相要求，下面我們對(duì)利用懸空相的端電壓或相電壓檢測(cè)該相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的方法做以論述。

三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用兩兩通電方式，每轉(zhuǎn)過(guò)60°就必須換相一次，這樣每轉(zhuǎn)過(guò)一周就要6個(gè)換相信號(hào)，而每相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)，如圖1，共計(jì)有6個(gè)過(guò)零點(diǎn)，那么只要計(jì)算出這6個(gè)過(guò)零點(diǎn)，就可以獲得換相信號(hào)。

圖1 反電動(dòng)勢(shì)和相電流波形

如圖2所示，圖中，L—相電感，R—相電阻，EX —相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，RI X —相電流，VX —相電壓，Vn—星形鏈接中性點(diǎn)電壓。

圖2 電動(dòng)機(jī)定子某一相等效電路

對(duì)于三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，每次只有兩相通電，兩相通電的電流相反，第三相斷電，相電流為0，因此，將A、B、C分別帶入上式，就可以得到三個(gè)方程，將三個(gè)方程相加，由于電流大小相等、方向相反，所以RIX和項(xiàng)相互抵消，可以得到：

由圖2可知，無(wú)論任何相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)都有EA+EB+EC=0，即：

對(duì)于懸空相，Ix=0，所以有EX=Vx+Vn。

所以，只要檢測(cè)出轉(zhuǎn)子繞組三相端電壓，然后由程序計(jì)算未導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)值，當(dāng)未導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)值為零時(shí)即表明檢測(cè)到未通電相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。

2 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)技術(shù)很多，但是在諸多啟動(dòng)方式中，技術(shù)成熟并應(yīng)用最為廣泛的是三段式啟動(dòng)技術(shù)，由于電機(jī)在初啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速較低時(shí)反電勢(shì)為零或很小，無(wú)法確認(rèn)轉(zhuǎn)子位置信息，基于此特殊性，反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法需要采用具有針對(duì)性的起動(dòng)技術(shù)。通常是按他控式同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從靜止開(kāi)始加速，直至能夠檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，再切換至無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 啟動(dòng)

采用轉(zhuǎn)子通電記憶法，通過(guò)軟件記憶車輛停車最后一個(gè)通電相，啟動(dòng)時(shí)，第一通電相依然為本相，然后依次換向，使車輛啟動(dòng)。

2.2 加速

按他控方式順序通電，同時(shí)通過(guò)PWM控制逐漸提高電機(jī)外施電壓，這樣使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也逐漸提高，以達(dá)到順利檢測(cè)未通電相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的目的。

2.3 切換

電機(jī)加速到預(yù)定轉(zhuǎn)速后，（一般來(lái)說(shuō)，由于采用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低，其相電壓越小，越不容易檢測(cè)，所以，切換時(shí)刻最低轉(zhuǎn)速一般不低于30r/min）當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)已可以檢測(cè)到，再切換到無(wú)刷直流電機(jī)自控方式運(yùn)行。

圖3 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)控制圖

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器是一種時(shí)變、強(qiáng)非線性開(kāi)關(guān)電路，僅僅采用一般的控制方法，很難達(dá)到較高的性能要求，采用芯片控制可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的算法。采用PWM-ON單極性驅(qū)動(dòng)模式，減小了開(kāi)關(guān)管的損耗，提高了運(yùn)行可靠性。

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換向取消了直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向，徹底消滅了換向火花，由于碳刷的取消，使軌道交通運(yùn)營(yíng)公司的生產(chǎn)成本大大降低，同時(shí)也大大增加了地鐵車輛運(yùn)行的可靠性。