方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)傳感器控制與弱磁控制
呂曉春 沈建新 杜軍紅 陳永校(浙江大學(xué)杭州310027)
【摘 要】針對(duì)方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，討論根據(jù)激磁電勢(shì)波形確定電機(jī)換向時(shí)序的“端電壓法”無(wú)傳感器控制方法，并詳細(xì)闡述其特殊的起動(dòng)過程和雙向運(yùn)行技術(shù)。通常弱磁控制適用于正弦電機(jī)；對(duì)方波電機(jī)，文中提出了一種新型的用變壓器電勢(shì)抵消激磁電勢(shì)而實(shí)現(xiàn)的等效弱磁控制方法，并作了理論分析與宴驗(yàn)驗(yàn)證。
1 引 言
無(wú)刷直流電機(jī)通常由逆變器、永磁同步電機(jī)本體、位置傳感器及控制器組成。工作時(shí)，控制器根據(jù)傳感器測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置有序地觸發(fā)逆變器的各個(gè)功率器件，以實(shí)現(xiàn)換流。方波無(wú)刷電機(jī)采用120o型三相逆變器驅(qū)動(dòng)；電樞繞組中的激磁電勢(shì)(即發(fā)電機(jī)電勢(shì))為梯形波，且其平頂近似為120o電角度。永磁體粘貼在轉(zhuǎn)子表面時(shí)，可以不計(jì)凸極效應(yīng)。在適當(dāng)?shù)目刂茥l件下，方波無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，出力大，控制簡(jiǎn)單，具有普通直流電機(jī)良好的調(diào)速特性，又無(wú)需機(jī)械式換向結(jié)構(gòu)，因此得到廣泛應(yīng)用。
但是，傳統(tǒng)的無(wú)刷電機(jī)都需要一套復(fù)雜的位置傳感器，這對(duì)電機(jī)的可靠性、制造工藝要求等帶來(lái)不利的影響，例如，①為安置傳感器而增大電機(jī)尺寸。②傳感器信號(hào)傳輸線太多，且易引入干擾。③高溫、低溫、污濁空氣等惡劣的工作條件會(huì)降低傳感器可靠性。④傳感器的安裝精度直接影響電機(jī)運(yùn)行性能�？梢�，省去無(wú)刷電機(jī)的傳感器能進(jìn)一步擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域與生產(chǎn)規(guī)模，具有很大的實(shí)際意義。
近年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)作了不少研究，并取得了一定的成果。像日本HITACHI公司將這種電機(jī)應(yīng)用于空調(diào)機(jī)中，不僅改善了運(yùn)行性能，還可起到較好的節(jié)能作用。目前國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道最多的方法之一是，將電機(jī)三相電壓、電流作坐標(biāo)變換，在派克方程的基礎(chǔ)上估算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。本文稱此方法為“轉(zhuǎn)子位置計(jì)算法”。這種方法雖然能實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)的無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)，但也存在缺點(diǎn)：①計(jì)算繁瑣，對(duì)微機(jī)要求高。②需準(zhǔn)確測(cè)量電機(jī)電流，故抗干擾能力弱。③需準(zhǔn)確預(yù)知電機(jī)參數(shù)，參數(shù)偏差影響系統(tǒng)性能。由于“轉(zhuǎn)子位置計(jì)算法”一般只將基波分量作為計(jì)算變量，因此主要用于繞組感應(yīng)電勢(shì)為正弦波的電機(jī)中，而對(duì)方波電機(jī)并不是很適用。
對(duì)于方波無(wú)刷電機(jī)，本文闡述了一種更適合的方法，是根據(jù)與轉(zhuǎn)子位置相對(duì)應(yīng)的繞組激磁電勢(shì)波形控制逆變器。激磁電勢(shì)從電機(jī)端電壓?jiǎn)柦犹崛 ６穗妷航?jīng)過簡(jiǎn)單的無(wú)源濾波器、電壓比較器及編碼器，就得到逆變器觸發(fā)信號(hào)。這種無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)方法(稱為“端電壓法”)，可有效地克服“轉(zhuǎn)子位置計(jì)算法”的缺點(diǎn)，并且，改變?yōu)V波器的相頻特性可以調(diào)節(jié)電機(jī)的超前觸發(fā)角，實(shí)現(xiàn)等效的弱磁控制。
2無(wú)傳感器控制
圖1是方波無(wú)刷直流電機(jī)的主回路。逆變器由自關(guān)斷功率器件G1～G6和續(xù)流二極管D1～D6構(gòu)成。電樞繞組Y型連接，激磁電勢(shì)為120o梯形波。若忽略繞組電流的過渡過程，則逆變器每相輸出120o矩形波電流。合理控制逆變器的觸發(fā)時(shí)序，使得相電流和激磁電勢(shì)的相位一致，如圖2a所示，則電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o脈動(dòng)，且特性與普通直流電機(jī)類似。這就是方波無(wú)刷電機(jī)的“****換向邏輯”。根據(jù)三相對(duì)稱性，采用“****換向邏輯”時(shí)，逆變器各個(gè)功率器件的觸發(fā)時(shí)序如圖2b所示。在一個(gè)工作周期Y內(nèi)，控制器只在T1、T2……T66個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻對(duì)逆變器操作。因此，對(duì)于方波電機(jī)，可以將三相激磁電勢(shì)波形看作是控制逆變時(shí)序的基本依據(jù)。由于激磁電勢(shì)波形與轉(zhuǎn)子位置對(duì)應(yīng)，“****換向邏輯”也可表述為：定子磁勢(shì)超前轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的位置角總保持在120o～60o之問，這樣，無(wú)刷電機(jī)的逆變器觸發(fā)信號(hào)取決于轉(zhuǎn)子的位置。所以，無(wú)論所述的“端電壓法”檢測(cè)激磁電勢(shì)波形，還是傳統(tǒng)的“傳感器法”或引言中提到的“計(jì)算法”測(cè)轉(zhuǎn)子位置，都只是提供逆變時(shí)序的殊途同歸的手段而已。
2．1原理
采用電壓型逆變器按“****換向邏輯”供電�？紤]繞組電感的影響和續(xù)流二極管的作用，電機(jī)相電流不再是矩形波，由此引起電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這時(shí)電機(jī)電壓平衡方程的矩陣表達(dá)式為：
U=pL·I+L·pI+E+R·I(1)
式中，等號(hào)右邊第一項(xiàng)是繞組電感變化引起的感應(yīng)電勢(shì)，當(dāng)不計(jì)電機(jī)凸極效應(yīng)時(shí)，其值為零；第二項(xiàng)是繞組電流變化引起的感應(yīng)電勢(shì)，即變壓器電勢(shì)；第三項(xiàng)是激磁電勢(shì)。激磁電勢(shì)是不能直接檢測(cè)的，但是在任意時(shí)刻逆變器總有一相的功率器件全部關(guān)斷，這時(shí)該相繞組的相電壓就是變壓器電勢(shì)與激磁電勢(shì)之和，并且激磁電勢(shì)的過零點(diǎn)必定發(fā)生在這段時(shí)間內(nèi)。以a相為例，在激磁電勢(shì)的過零點(diǎn)P1、P2，轉(zhuǎn)子直軸與a相繞組軸線重合，a相電流為零，a、b相間互感和a、c相間互感的數(shù)值相等，而b、c相電流相反，所以a相變壓器電勢(shì)亦為零。這樣在P1、P12時(shí)刻滿足：
只要用電壓比較器比較地ua與un信號(hào)，就可檢測(cè)出P1、P2。從圖2可看出，將P1、P2延時(shí)T(30o+K×60o)／360o時(shí)間(K=O，1.2…)，就得到控制器需對(duì)逆變器操作的兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻。根據(jù)對(duì)稱性，b、c兩相具有相同的情況。實(shí)際ua、ub、uc不是完全的梯形波，而總帶有諧波干擾。這些干擾(特別是位于激磁電勢(shì)過零點(diǎn)附近時(shí))將嚴(yán)重影響過零點(diǎn)的正確檢測(cè)。因此，必須將ua、ub、uc深度濾波，消除其高次諧波與直流分量，則得交流濾波信號(hào)Va、Vb、Vc、un一般不能直接引出，因此其對(duì)應(yīng)的濾波信號(hào)Vn由Va、Vb、Vc經(jīng)三相對(duì)稱星形連接的電阻電路的中點(diǎn)獲得。這里所用的三相無(wú)源濾波器不僅起到濾波作用，而且使輸出信號(hào)滯后于輸入信號(hào)的一個(gè)相位角(30o+K×60o)，從而達(dá)到將過零點(diǎn)延時(shí)的目的。通過取K=1，即濾波器應(yīng)移相90o。
用電壓比較器分別將Va、Vb、Vc與Vn作比較得到“激磁電勢(shì)信號(hào)”cPA、CPB、cPC。這3個(gè)信號(hào)經(jīng)過簡(jiǎn)單的編碼電路后就可得到逆變器觸發(fā)信號(hào)G1、G2……G6(如圖3所示)。根據(jù)無(wú)刷電機(jī)的原理，如果這里的無(wú)源濾波器實(shí)際移相角度是(90o-γ)，那么電機(jī)的超前觸發(fā)角就是γ。
2．2“三段式”起動(dòng)技術(shù)
本文研究的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)，是利用激磁電勢(shì)決定換流時(shí)序的，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止或低速時(shí)，激磁電勢(shì)為零或太小，無(wú)法利用。因此電機(jī)必須以他控式同步電動(dòng)機(jī)方式起動(dòng)、加速，再切換至無(wú)刷機(jī)狀態(tài)。這種特殊的“三段式”起動(dòng)方式，即分為轉(zhuǎn)子定位、加速、切換三個(gè)過程，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。
電機(jī)靜止時(shí)的轉(zhuǎn)子初始位置決定了逆變器第一次應(yīng)觸發(fā)哪兩個(gè)功率器件，而判斷轉(zhuǎn)子初始位置很復(fù)雜。因此，先把逆變器某兩相導(dǎo)通，并控制電機(jī)電流，經(jīng)一段時(shí)間后轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)到一個(gè)已知的初始位置。這個(gè)過程稱為轉(zhuǎn)子定位。
已知轉(zhuǎn)子初始位置后，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)向，就可知道應(yīng)觸發(fā)逆變器的哪兩個(gè)功率器件。這樣控制器發(fā)出一系列的同步信號(hào)syA、SyB、syc(分別與CPA、cPB、CpC對(duì)應(yīng))，經(jīng)同樣的編碼器產(chǎn)生逆變器觸發(fā)信號(hào)。逐步提高同步信號(hào)頻率，電機(jī)就工作在他控式變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。電機(jī)低速時(shí)，激磁電勢(shì)小，因此直流電壓或逆變器的斬波占空比也應(yīng)該�。晦D(zhuǎn)速增高，等效外施電壓也應(yīng)隨之增高，這樣才能保證電機(jī)既不過流，也不失步。在這個(gè)加速過程中，由于他控式變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，因此必須設(shè)計(jì)合理的加速曲線。一種較好的方法是先確定加速曲線上的3～4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，再采用曲面造型技術(shù)中的NuRBs曲線進(jìn)行擬合，求出整條加速曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，①加速曲線處處可導(dǎo)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。②可方便調(diào)節(jié)電機(jī)在各時(shí)刻的加速度，既縮短總的加速時(shí)間，又確保電機(jī)穩(wěn)定。
電機(jī)加速到預(yù)定轉(zhuǎn)速后，“激磁電勢(shì)信號(hào)”CPA、CPB、CPC已可以檢測(cè)到，但與同步信號(hào)可能存在較大的相位差，這是因?yàn)樗厥酵诫妱?dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，逆變器每改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，電機(jī)定子磁勢(shì)就越前60o電角度，然后停止一段時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子磁勢(shì)須旋轉(zhuǎn)60o電角度。這樣，若假定在這段時(shí)間的初始時(shí)刻，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)滯后定子磁勢(shì)(120o-δ)電角度，那么在這段時(shí)間的末時(shí)刻，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)應(yīng)滯后定子磁勢(shì)(60o-δ)電角度，換言之，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)平均位置滯后定子磁勢(shì)(90o-δ)電角度。顯然，定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是關(guān)于δ的函數(shù)。如果不考慮電機(jī)d、q軸不對(duì)稱引起的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，那么當(dāng)δ=O時(shí)平均電磁轉(zhuǎn)矩****；當(dāng)δ≠O時(shí)，δ的****值越大，平均電磁轉(zhuǎn)矩越小。
(1)若δ<0，當(dāng)電機(jī)受到負(fù)載擾動(dòng)而轉(zhuǎn)速降低時(shí)，則δ的****值增大，平均電磁轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)平均位置更加滯后于定子磁勢(shì)，即δ數(shù)值更加增大．平均電磁轉(zhuǎn)矩繼續(xù)減小，轉(zhuǎn)速繼續(xù)降低，最終導(dǎo)致失步，所以δ<0時(shí)他控式同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是不穩(wěn)定的。
(2)若δ>0，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增大時(shí)，轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)平均位置更加滯后于定子磁勢(shì)，即δ的數(shù)值變小，平均電磁轉(zhuǎn)矩增大，可以重新建立轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系；反之，假定電機(jī)負(fù)載減小，轉(zhuǎn)子增速，δ的數(shù)值隨之變大，平均電磁轉(zhuǎn)矩減小，也能重新建立轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系。
只要電機(jī)能以他控式同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)起動(dòng)并加速到某一預(yù)定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)滯后于定子磁勢(shì)的相位角總保持在(120o-δ)～(60o-δ)范圍變化，并且δ≥0。由于轉(zhuǎn)子磁勢(shì)位置與激磁電勢(shì)信號(hào)對(duì)應(yīng)，而定子磁勢(shì)與同步信號(hào)對(duì)應(yīng)，并假定端電壓檢測(cè)器中的無(wú)源濾波器的相移角在有效頻率范圍內(nèi)恒為90o，那么“激磁電勢(shì)信號(hào)”超前同步信號(hào)的相位角正是δ。由于δ角的存在，這時(shí)如果直接用“激磁電勢(shì)信號(hào)”代替同步信號(hào)．電機(jī)就可能失步．因此，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的切換必須滿足條件：“激磁電勢(shì)信號(hào)”超前同步信號(hào)的相位角δ足夠小。
當(dāng)電機(jī)加速到并保持在某一預(yù)定轉(zhuǎn)速后，逐步減小外施電壓，電磁轉(zhuǎn)矩就會(huì)減小，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)滯后于定子磁勢(shì)的平均相位角變大，即δ數(shù)值減小，平均電磁轉(zhuǎn)矩又呈增大趨勢(shì)，并最終重新建立轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系�？刂破鞅O(jiān)測(cè)δ角，當(dāng)該角足夠小時(shí)就發(fā)出切換命令，同步信號(hào)被關(guān)閉，“激磁電勢(shì)信號(hào)”被送入編碼器以確定逆變時(shí)序，這就完成了切換過程。
2．3正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行
上述均指無(wú)刷電機(jī)按一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。在起動(dòng)時(shí)，逆變器觸發(fā)信號(hào)由三個(gè)同步信號(hào)syA、sYB、syc經(jīng)編碼后獲得。這三個(gè)同步信號(hào)分別相對(duì)“激磁電勢(shì)信號(hào)”cPA、cpB、cpc滯后相位角δ。那么，電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，在相位上syA領(lǐng)前于syB、syB領(lǐng)前于syc各120o電角度，cpA領(lǐng)前于cPB、cPB領(lǐng)前于cPc各120o電角度。要使他控式同步電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，只要改變同步信號(hào)的相序即SYA落后于SyB、SyB落后于Syc各120o電角度，則CPA落后于CPB、CPB落后于CPC各120o電角度。但是，由于電機(jī)轉(zhuǎn)向變反，激磁電勢(shì)極性也變反，所以“激磁電勢(shì)信號(hào)”與電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)相比相當(dāng)于經(jīng)過了一級(jí)反相門．即反轉(zhuǎn)時(shí)“激磁電勢(shì)信號(hào)”超前于同步信號(hào)的相位角為(δ-180o)�？梢姡崔D(zhuǎn)時(shí)首先要把圖3中電壓比較器的輸出信號(hào)反相，才能作為真正的“激磁電勢(shì)信號(hào)”。這樣仍然滿足CPA、CPB、CPc分別超前SYA、SyB、SYC相位角δ，且cPA落后于CPB、cPB落后于CPc各120o。利用所述的方法將電機(jī)反向起動(dòng)、加速，再切換至無(wú)刷機(jī)狀態(tài)，就能反向運(yùn)轉(zhuǎn)。
3弱磁控制
對(duì)于方波無(wú)刷電機(jī)，傳統(tǒng)的弱磁控制方法不能直接使用。
如果改變端電壓檢測(cè)器的無(wú)源濾波器的相頻特性，使其相移為(90o-γ)，即無(wú)刷電機(jī)的超前觸發(fā)角為γ，則某相電壓、激磁電勢(shì)如圖4所示。在t1～t2期間，外施電壓大于激磁電勢(shì)，相電流迅速增大，變壓器電勢(shì)與激磁電勢(shì)同極性，但從t2～t3的范圍內(nèi)，激磁電勢(shì)大于外施電壓，相電流持續(xù)減小，變壓器電勢(shì)與激磁電勢(shì)極性相反，起抵消作用。又由于激磁電勢(shì)的幅值正比于轉(zhuǎn)速，從式(1)可知，方波無(wú)刷電機(jī)超前觸發(fā)，使變壓器電勢(shì)抵消激磁電勢(shì)，為滿足電壓平衡關(guān)系，必須提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)等效的弱磁控制。
圖5是一臺(tái)4極無(wú)位置傳感器方波無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖中上面的波形是端電壓ua，下面是端電壓檢測(cè)器的濾波器輸出電壓Va.外施電壓、負(fù)載功率保持不變。在圖5a中濾波器移相90o，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于基本轉(zhuǎn)速5 700r／min；圖5b中濾波器移相72o，即超前觸發(fā)角18o，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升至6 000r／min。需要指出的是，①樣機(jī)的激磁電勢(shì)不是嚴(yán)格的梯形波，其平頂略小于120o電角度，而其上升、下降沿為弧形。②由于方波永磁無(wú)刷電機(jī)等效氣隙大，電樞反應(yīng)弱，變壓器電勢(shì)較小，因此這種弱磁控制方法的調(diào)速范圍比較窄。
4 結(jié)論
方波無(wú)刷直流電機(jī)可根據(jù)繞組激磁電勢(shì)波形確定逆變時(shí)序。采用120o型逆變器時(shí)，通過檢測(cè)電機(jī)的端電壓可獲得激磁電勢(shì)過零點(diǎn)，再經(jīng)過1／4周期的延時(shí)，就得到逆變器的****觸發(fā)時(shí)刻。這些功能均可用簡(jiǎn)單的電子電路完成，從而克服了傳統(tǒng)無(wú)刷電機(jī)位置傳感器帶來(lái)的不足。這種電機(jī)需采用特殊的“三段式”起動(dòng)方法。調(diào)節(jié)超前觸發(fā)角可實(shí)現(xiàn)方波無(wú)刷直流電機(jī)的等效的弱磁控制。
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