基于電感法無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的辨識(shí)
李新華，戈小中，吳迪(湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢430068)
摘要：文章研究基于電感法面裝式集中繞組稀土永磁無(wú)刷再流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的確定方法。首先介紹：’電感法的基本原理，在此基礎(chǔ)上分別討論了定子一相和二相通電時(shí)轉(zhuǎn)子磁極極性的確疋方法，最后以6極／9槽三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例分析了不同轉(zhuǎn)子平衡位置與電流變化率的大小關(guān)系。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；電感法；轉(zhuǎn)了初始位置；電流變化率
0引言
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正朝著無(wú)位置傳感器控制方向發(fā)展。目前無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)使用鞍多的是反電動(dòng)勢(shì)法。反電動(dòng)勢(shì)法的主要問(wèn)題是電機(jī)起動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)速為零，反電動(dòng)勢(shì)也為零，岡此難以通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)獲得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置信息，形成所謂的檢測(cè)“盲區(qū)”。
目前，基于反電動(dòng)勢(shì)法的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)比較多地采用“三段式”起動(dòng)方法。所謂“三段式”，是指電機(jī)起動(dòng)過(guò)程經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子定位、外同步加速和切換三個(gè)階段。其中轉(zhuǎn)子定位階段是使無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)某兩相通電后所產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)相互作用，迫使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到某一位置。這種強(qiáng)制定位要求在短時(shí)間內(nèi)必須向電機(jī)繞組通入較大的沖擊電流，因此存在明顯的問(wèn)題：一是它受限于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的容量，控制器的容量太小，不允許使用，控制器容量太大，則會(huì)增加系統(tǒng)成本；二是對(duì)于重載無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，可能出現(xiàn)定位轉(zhuǎn)矩不足導(dǎo)致定位失��；三是可能在短時(shí)間電機(jī)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)或者震蕩，對(duì)于某些負(fù)載來(lái)說(shuō)是不允許的。
電感法是利用面裝式和內(nèi)置式兩類(lèi)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組的磁鏈特性，通過(guò)檢測(cè)不同的觀測(cè)量來(lái)確定轉(zhuǎn)子初始位置的方法。對(duì)于面裝式無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，可以利用定子鐵心磁路的非線性特性來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，即對(duì)于不同的轉(zhuǎn)子位置，定子繞組的電流變化率是鐵心磁導(dǎo)率的函數(shù)，通過(guò)檢測(cè)電流變化率可以得到轉(zhuǎn)子位置信息。對(duì)于內(nèi)置式無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，由于交、直軸電感與轉(zhuǎn)子位置存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用電流滯環(huán)控制檢測(cè)交、直軸電感也可以得到轉(zhuǎn)子位置信息。
1電感法的基本原理
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)一相的電壓平衡方程為
式中，ua為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)一相電壓，R為相電阻，ia為相電流，La為相電感，ea為相反電動(dòng)勢(shì)。
電機(jī)起動(dòng)瞬問(wèn)沒(méi)有反電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)也不考慮電阻壓降，于是有
上式表明，當(dāng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)一相繞組外施端電壓ua(如方波脈沖電壓)一定時(shí)，繞組電流變化率與其電感的大小成反比。如果電感增大，電流變化率減��；電感減小，電流變化率則增大，但兩者乘積不變。
一相繞組的電感
式中，Ⅳ。為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)一相繞組的有效匝數(shù)，∧m為電機(jī)主磁路所對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)。
當(dāng)Na一定時(shí)，一相繞組的電感與主磁導(dǎo)∧m成正比。對(duì)于面裝式稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，由于等效氣隙很大，氣隙磁導(dǎo)相對(duì)較小，主要為鐵心磁導(dǎo)，這樣繞組電感近似與電機(jī)鐵心磁導(dǎo)率μ或正比。
圖1為D23熱軋硅鋼片磁化曲線B～H和磁導(dǎo)率曲線μ~H。鑒于鐵磁材料磁化曲線的非線性，這里有三種情況：
(1)若鐵磁材料工作在μ～H曲線****磁導(dǎo)率右側(cè)，如果定子一相繞組通入電流后所產(chǎn)生的電樞磁通起增磁作用，磁導(dǎo)率下降，一相繞組電感減��；反之，如果定子一相通入電流后所產(chǎn)生的電樞磁通起去磁作用，則磁導(dǎo)率上升，一相繞組電感增大。
(2)若鐵磁材料工作在μ～H曲線****磁導(dǎo)率左側(cè)，如果定子一相繞組通入電流后所產(chǎn)生的電樞磁通起增磁作用，磁導(dǎo)率上升，一相繞組電感增大；反之，如果定子一相通入電流后所產(chǎn)生的電樞磁通起去磁作用，則磁導(dǎo)率下降，一相繞組電感減小。
(3)若鐵磁材料工作在μ～H曲線的****磁導(dǎo)率點(diǎn)，此時(shí)無(wú)論定子一相繞組通入電流后所產(chǎn)生的電樞磁通是起增磁作用還是去磁作用，磁導(dǎo)率都是下降的，一相繞組電感減小。
電機(jī)鐵心所用硅鋼片一般在磁密為O.7T左右出現(xiàn)****磁導(dǎo)率，而齒內(nèi)磁密一般為1 4T左右。
也就是說(shuō)，鐵磁材料一般工作在****磁導(dǎo)率右側(cè)，若電樞磁通起增磁作用，電感減小，電流變化率增大：若電樞磁通起去磁作用，電感增加，電流變化率減小。本文主要分析這種情況。
2一相通電轉(zhuǎn)子磁極極性的辨識(shí)
圖2為面裝式2極／3稽無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。通常無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)三相集中繞組繞制
_一向相同，三相首端均為同名端。假定轉(zhuǎn)子處于如圖所示的兩種平衡狀態(tài)。當(dāng)一相繞組通入正向電流(從首端流向末端)時(shí)，靠近氣隙的極靴處為s極，另一端為N極；一相繞組通入反向電流從末端流向首端)時(shí)，靠近氣隙的極靴處為N極，另一端為s極。
2 1轉(zhuǎn)子N極正對(duì)一相定子齒
圖2(a)中，轉(zhuǎn)子N極朝上，如正面對(duì)A相齒。在A相繞組通入正向電流，齒內(nèi)繞組所產(chǎn)生的磁通與轉(zhuǎn)子永磁磁通方向相同，起增磁作用(或稱(chēng)順磁方向)，其磁導(dǎo)率和繞組電感減小，電流變化率增大，則齒極靴處的s極性與靠近的轉(zhuǎn)子N極極性相反，兩者為異性。
此時(shí)，轉(zhuǎn)子s極處于B、c相齒中間位置，無(wú)論是B相還是c相通入正向電流，齒內(nèi)繞組所生的磁通與轉(zhuǎn)子永磁磁通方向相反，其磁導(dǎo)率和繞組電感增大，電流變化率減小�？梢�(jiàn)，轉(zhuǎn)子＼極與電流變化率****的一相齒對(duì)齊。
2 2轉(zhuǎn)子s極正對(duì)一相定子齒
圖2(b)中，轉(zhuǎn)子s極朝上，如正面對(duì)A相齒。在A相繞組通入正向電流，齒內(nèi)繞組所產(chǎn)主的磁通與轉(zhuǎn)子永磁磁通方向相反，起去磁作用(或稱(chēng)逆順磁方向)，其磁導(dǎo)率和繞組電感增大，電流變化率減小，則齒極靴處的s極性與靠近的轉(zhuǎn)子s極極性相同，兩者為同性。
此時(shí)，轉(zhuǎn)子N極處于B、c相齒中間位置，無(wú)論是B相還是c相通入正向電流，齒內(nèi)繞組所產(chǎn)生的磁通與轉(zhuǎn)子永磁磁通方向相同，其磁導(dǎo)率和繞組電感減小，電流變化率增大�？梢�(jiàn)，轉(zhuǎn)子s極與電流變化率最小的一相齒對(duì)齊。
3二相通電轉(zhuǎn)子磁極極性的辨識(shí)
仍以面裝式2極／3槽無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例來(lái)分析，并假定轉(zhuǎn)子處于圖2所示的平衡狀態(tài)。
逆變橋供電的三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其電流檢測(cè)電路如圖3所示。
逆變橋電源負(fù)端上串接了采樣電阻Rs，采樣電阻上檢測(cè)的電壓信號(hào)結(jié)合合適算法得到反映無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息。由于三相方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用兩相通電方式，這樣所觀測(cè)到的電流變化率會(huì)更明顯些。
3 1轉(zhuǎn)子N極正對(duì)一相定子齒
在圖2(a)中，若采用AB相(或AC)通電，即在A相繞組通入正向電流，B相繞組通入反向電流，此時(shí)A、B相齒上繞組所產(chǎn)生的磁通與轉(zhuǎn)子永磁磁通方向相同，其磁導(dǎo)率和繞組電感減小，電流變化率增大，則正向通電相(A相)齒極靴處的極性與靠近的轉(zhuǎn)子磁極的極性相反，兩者為異性。
3 2轉(zhuǎn)子s極正對(duì)一相定子齒
在圖2(b)中，若采用AB相(或Ac)通電，即在A相繞組通入正向電流，B相繞組通入反向電流，此時(shí)A、B相齒上繞組所產(chǎn)生的磁通與轉(zhuǎn)子永磁磁通方向相反，其磁導(dǎo)率和繞組電感增大，電流變化率減小，則正向通電相(A相)齒極靴處的極性與靠近的轉(zhuǎn)子磁極的極性相同，兩者為同性。 可見(jiàn)，二相通電與一相通電轉(zhuǎn)子磁極極性的辨識(shí)的結(jié)論是相同的。即當(dāng)一相齒的極靴處為S極，另一端為N極時(shí)，若齒上某相繞組電流變化率大，則正向通電相極靴處的S極與靠近的轉(zhuǎn)子N極極性相反，兩者為異性；若齒上某相繞組電流變化率小，則正向通電相極靴處的S極與靠近的轉(zhuǎn)f S極極性相同，兩者為同性。所不同的是，一相通電町以辨識(shí)轉(zhuǎn)子磁極處于兩相齒巾間位置的極性，而二相通電則不能辨識(shí)轉(zhuǎn)子磁極處于兩相齒中間位置的極性，限于篇幅，本文不作詳細(xì)分析。
相通電方法需要無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)引出繞組中線，而且要改變?nèi)嗄孀兤鞯膶?dǎo)通邏輯，比較麻煩，實(shí)際中采用二相通電方法比較有利。
4 6極／9槽無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)分析舉例
圖4為6極／9槽三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的六個(gè)甲衡位置圖。
在某一平衡位置下，六個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)中會(huì)有兩個(gè)狀態(tài)的電流變化率基本相同。以轉(zhuǎn)子平衡位置I為例。當(dāng)轉(zhuǎn)子N極正對(duì)A相齒時(shí)，S極被口、c相齒平分，此時(shí)Bc相和cB相通電應(yīng)該得到相同的電流采樣值。同理，AB相與Ac相通電、BA與cA相通電的電流采樣值基本相同。轉(zhuǎn)子平衡位置Ⅳ時(shí)AB相與AC相通電、Bc相和cB相通電、BA相與cA相通電的電流采樣值也基本相同。轉(zhuǎn)子平衡位置I、II、III與轉(zhuǎn)子平衡位置Ⅳ、V、Ⅵ所對(duì)應(yīng)導(dǎo)通狀態(tài)的電流采樣值相是一致的，這是因?yàn)橐粋�(gè)電周期內(nèi)N極和S極各占1 80°的原因。轉(zhuǎn)子六個(gè)平衡位置分析結(jié)果如表l所示。
進(jìn)一步分析不同轉(zhuǎn)子平衡位置電流變化率的大小關(guān)系。以轉(zhuǎn)子平衡位置I為例。此時(shí)N極正對(duì)A相齒，A相繞組正向通電會(huì)在極靴處產(chǎn)生一個(gè)s極，B相(或c相)反向通電在其極靴處產(chǎn)生一個(gè)N極，因此AB(或Ac)相通電時(shí)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)都是順磁方向的，此時(shí)所得到的電流采樣值的變化率應(yīng)是六個(gè)通電狀態(tài)中****的。當(dāng)R4(或cA)相通電時(shí)繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)都是逆磁方向的，此時(shí)電流變化率應(yīng)小于AB(或Ac)通電情況，以下記為AB>BA，Ac>cA。類(lèi)似分析各個(gè)轉(zhuǎn)子平衡位置的通電情況，結(jié)果如表2所示。
根據(jù)表2就可以知道無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是處于六個(gè)平衡位置中的哪一個(gè)了。
5結(jié)語(yǔ)
通過(guò)檢測(cè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組電流在不同轉(zhuǎn)子位置下對(duì)脈沖電壓的響應(yīng)，并與預(yù)先推導(dǎo)的電流變化率關(guān)系進(jìn)行比對(duì)，可以獲知轉(zhuǎn)子初始位置，據(jù)此確定無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)三相繞組的通電邏輯。運(yùn)用本方法進(jìn)行無(wú)刷贏流電動(dòng)機(jī)的初始定位，快速、準(zhǔn)確、避免轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)以及沖擊電流過(guò)大的問(wèn)題，對(duì)于采用反電動(dòng)勢(shì)法的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，控制電路無(wú)須作大的改動(dòng)即可應(yīng)用這一方法。
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