摘要：一般的無刷直流空心杯電機(jī)繞組常采用三角形接法，當(dāng)采用反電勢法對其實行無位置傳感器控制時，其控制方式與常用的星型接法電機(jī)有所不同。由此提出了一種新的反電勢換相方法。實驗結(jié)果證明該方法能使空心杯電機(jī)輸出更大的電磁功率，轉(zhuǎn)矩脈動更小。
關(guān)鍵詞：空心杯電機(jī)；無位置傳感器；反電勢換相；無刷直流電機(jī)；實驗
O 引 言
空心杯電機(jī)具有突出的節(jié)能特性、靈敏方便的控制特性和穩(wěn)定的運行特性，作為高效率的能量轉(zhuǎn)換裝置，代表了電動機(jī)的發(fā)展方向。由于空心杯電動機(jī)電樞無鐵心，使其克服了鐵心電動機(jī)不可逾越的技術(shù)障礙，不但具有突出的節(jié)能特點，更為重要的是具備了鐵心電動機(jī)所無法達(dá)到的控制特性”“。隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄妱訖C(jī)的性能不斷提出更高的期望和要求，使空心杯電動機(jī)在很多應(yīng)用場合擁有不可替代的地位。我國對空心杯電動機(jī)的開發(fā)研制工作起步比較晚，嚴(yán)重影響了與國外同類產(chǎn)品的技術(shù)競爭力。本文對其進(jìn)行研究。
l無位置傳感器控制方法與仿真目前國際上提出了許多無位置傳感器的位置檢測方法，主要有反電勢過零檢測法、續(xù)流二極管電流檢測法、電感法等，而反電動勢過零檢測法是目前最常用、實現(xiàn)******的一種方式。該方法是通過將檢測到的反電勢過零點經(jīng)過30。延遲后作為一開關(guān)信號。但這種方法較適用于電機(jī)繞組為Y接法、兩兩導(dǎo)通的情況，而對于三角形接法的空心杯電機(jī)而言，雖然仍可以采用反電勢過零檢測法，但換相規(guī)律則有所不同，現(xiàn)分析如下。
由圖1可得如下電壓關(guān)系式：
式中，uaub、uc為三角形連接時的相電壓；uaub、uc為星形連接時的相電壓。如果假定u′a=ea，當(dāng)ea過零點時，再延時30°即可得到三角形連接時繞組反電勢的過零點。由于星形接法電機(jī)的無位置傳感器控制的導(dǎo)通規(guī)律是反電勢過零后延時30°換相，因此根據(jù)式(1)可知，三角形接法電機(jī)的無位置傳感器控制的導(dǎo)通規(guī)律應(yīng)該是反電勢過零后延時60°換相，如圖2所示。
由上圖可以得到三角形繞組在二二導(dǎo)通方式下開關(guān)管的導(dǎo)通序列如表1。
從上面的分析可知，三角形接法空心杯電機(jī)實行無位置控制時，其****換相點發(fā)生在反電勢過零后60°處。
2控制系統(tǒng)設(shè)計
2．1硬件設(shè)計
本控制系統(tǒng)主要由直流電源、隔離驅(qū)動電路、逆變電路、空心杯電機(jī)、位置檢測電路、微處理器和保護(hù)電路等組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
DsP事件管理器EVA的比較單元輸出PwM信號，信號經(jīng)過隔離光耦后進(jìn)入驅(qū)動芯片2130，最終由2103驅(qū)動逆變電路的MOs管用以驅(qū)動電機(jī)。
在直流母線處串聯(lián)電阻用以采樣電流。把采樣到的電流和母線電壓輸入到保護(hù)電路進(jìn)行電流電壓保護(hù)。保護(hù)電路分別與DsP產(chǎn)生的6路PWM調(diào)制波通過與非門連接到光耦。一旦電壓或者電流超出設(shè)置的保護(hù)限值，與非門輸出高電平，使光耦輸出高電平，2130輸出的6個MOs管的驅(qū)動信號都為零，從而使逆變電路沒有輸出。采樣到的母線電流還輸入到DsP的一路_A／D端口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的結(jié)果作為電流反饋值用來做電流閉環(huán)的計算。
另外電機(jī)的三相線電壓分別連接到位置檢測電路，經(jīng)過位置檢測電路后最終輸入DsP的3個中斷捕獲口用于轉(zhuǎn)子位置判斷和電機(jī)轉(zhuǎn)速計算。
針對本控制系統(tǒng)的特點，著重介紹該控制系統(tǒng)的反電勢過零點檢測電路。因為三相對稱，取其中一相電路分析，如圖4所示。該檢測電路主要由分壓、低通濾波、過零比較和隔離電路4部分組成成。端電壓信號經(jīng)電阻分壓，再經(jīng)無源低通濾波電路濾波后，把得到的信號與us／2進(jìn)行比較后得到方波信號。該信號經(jīng)二極管隔離后，輸入到微處理器的中斷捕捉口，根據(jù)捕捉到的反電勢過零點信號控制電機(jī)換相。下面來詳細(xì)介紹各部分電路并進(jìn)行理論推導(dǎo)。
①高頻濾波電路。電阻R1、R4組成分壓電路，把端電壓的強(qiáng)電信號轉(zhuǎn)變成比較器能夠比較處理的弱電信號。由電容濾除高頻干擾信號，它們構(gòu)成了第一級無源低遙濾波電路。該電路既要能夠有效濾除PwM的高頻干擾信號又要能使反電勢信號順利通過，因此該濾波電路的截至頻率應(yīng)滿足以下條件：
式中，nmax電機(jī)****轉(zhuǎn)速；p為極對數(shù)；fpwn為開關(guān)頻率。
�、诟糁彪娐贰８糁彪娐分饕欠乐怪绷骰虻皖l信號出現(xiàn)在反電勢信號中，因此該電路其實是個高通濾波器。它的截止頻率必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電機(jī)的****基波頻率，以使反電勢信號完全通過。
�、垡葡�90°補償電路。反電勢過零檢測電路中引入了低通濾波電路，以濾除端電壓中的干擾信號。低通濾波電路的引入，將會導(dǎo)致濾波后的反電勢信號移相。實際應(yīng)用中，一旦濾波電路的硬件電路確定以后，該電路的相頻特性也就確定了。
在電機(jī)調(diào)速范圍內(nèi)，圖4的過零點檢測電路，只能滿足一個頻率的反電勢信號移相為90°。一般稱符合這一條件的頻率為****換相頻率。其它頻率下，電路的移相角度會產(chǎn)生一些偏差，并不完全滿足移相90°的要求。假定電機(jī)運行在某一轉(zhuǎn)速的時候，濾波電路產(chǎn)生的移相角度是α，為了使反電勢過零點的移相仍為90°，軟件中就需要加入(90°一α)角的補償。為了減少軟件的運算工作量，設(shè)計 的濾波電路應(yīng)盡可能減小補償角度，所以對于設(shè)計成移相90°的濾波電路來說，濾波電路設(shè)計中要使反電勢過零點信號在電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)盡量滿足移相在90°左右的要求，為此加入了由R8、C4成的無源低通濾波電路。
本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)調(diào)速范圍在l 000 r／min～7 000 r／min之間，開關(guān)頻率為10 kHz。根據(jù)計算，便可確定該檢測電路各元件的參數(shù)值如下：
R1=10 k，R2=100 k，C2=O．01μf．R7=100 k，c3=lμR8=200 k，c4=0．47μf在各個轉(zhuǎn)速下的移相角度和補償角度如表2所示，經(jīng)過補償后的移相角度偏差控制在10％左右。
2．2系統(tǒng)軟件設(shè)計
對于本系統(tǒng)，軟件主要實現(xiàn)以下功能：
①實現(xiàn)無位置傳感器空心杯無刷直流電機(jī)的開環(huán)啟動。整個啟動過程包括轉(zhuǎn)子預(yù)定位、轉(zhuǎn)子加速和內(nèi)同步切換三個環(huán)節(jié)。
�、趯崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的可靠檢測及換向控制。由于檢測電路內(nèi)含延時環(huán)節(jié)，所以實際換相時刻需要由軟件對檢測到的矩形波邊沿時刻進(jìn)行補償后方能得到。
�、嘟㈦p閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，包括速度環(huán)和電流環(huán)。其中，速度環(huán)的實時轉(zhuǎn)速反饋由對位置檢測電路的輸出矩形波形運用測周法算出，電流環(huán)的反饋電流值通過A／D在PWM有效期內(nèi)測量開關(guān)主電路的母線電流得到，測量結(jié)果要經(jīng)過數(shù)字濾波處理。
根據(jù)以上功能需求，本文利用c語言編制了整個系統(tǒng)流程如圖5所示。
3實驗結(jié)果
對空心杯電機(jī)進(jìn)行了實驗。電機(jī)參數(shù)如下：
額定電壓u=24 V，額定電流I=1．5 A，額定轉(zhuǎn)速n=6 000 r／min,速度常數(shù)Ke=3．2、1／kr／min，轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT=30．5 ranm／A。
在轉(zhuǎn)速為2 000 r／min，負(fù)載為0．025 N·m的條件下得到實驗波形如圖6～圖8所示。
由文獻(xiàn)[7]可知，理想的波形應(yīng)該左右對稱，但本文的端電壓在經(jīng)過一個濾波電路獲得轉(zhuǎn)子位置信號時產(chǎn)生了一個相移，而且在一定速度范圍內(nèi)用同一補償角，這勢必造成補償誤差，從而導(dǎo)致?lián)Q相誤差，這也就是圖6和圖7波形稍微有點不對稱的原因。從圖7中也可以看出造成空心杯電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的幾個原因：①換相轉(zhuǎn)矩脈動。本文采 用六狀態(tài)120°開關(guān)管導(dǎo)通的控制方式。圖中顯示出現(xiàn)了換相尖峰電流，即出現(xiàn)了換相轉(zhuǎn)矩脈動；②PwM調(diào)制方式所造成的反電勢電流尖峰。圖7中出現(xiàn)的反電勢電流是由于采用上橋臂調(diào)制、下橋臂恒通的調(diào)制方式，同理，當(dāng)采用下橋臂調(diào)制上橋臂恒通的調(diào)制方式時，反電勢電流尖峰會小于零。減小此類轉(zhuǎn)矩脈動的方法是換相瞬間保持開關(guān)管恒通，以加快電機(jī)繞組內(nèi)電流的建立。
4結(jié)論
三角形繞組和星形繞組的轉(zhuǎn)子位置的無位置檢測有所不同，如果仍采用檢測星型繞組的方法來檢測三角形繞組的轉(zhuǎn)子位置，則會造成電機(jī)出力不足、轉(zhuǎn)矩脈動大等問題。本文通過模型分析和仿真，得出了在反電勢過零后60°換相的控制方法使三角形繞組的空心杯電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩更大、更加平穩(wěn)。并且通過計算得到各種轉(zhuǎn)速情況下因反電勢采樣電路產(chǎn)生的相位偏差需要補償?shù)南辔弧?BR> 通過實驗與仿真結(jié)果分析比較發(fā)現(xiàn)，本文提出的控制方法是有效的，以及計算得到的相位補償角是準(zhǔn)確的；而且從實驗結(jié)果中可以判定，該控制系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能。
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