基于線電壓的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器換相方法
薛曉明，錢馳波
(常州信息學(xué)院，江蘇常州213164)
摘要：提出了一種無(wú)需構(gòu)建電機(jī)中性點(diǎn)，無(wú)需移相，只要對(duì)瞬時(shí)檢測(cè)的三相端電壓進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波比較后，就能直接得到與霍爾傳感器輸出一樣的換相信號(hào)的新方法，詳細(xì)分析了該方法的工作原理。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法與常規(guī)的檢測(cè)方法相比在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有良好的性能。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；濾波的線電壓；換相檢測(cè)：相移電路
中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)07—0020—03
0引 言
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、維護(hù)少、效率高和控制方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，在辦公自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、儀器儀表和家用電器等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。在變頻空調(diào)壓縮機(jī)這類密封設(shè)備中，由于壓縮機(jī)內(nèi)部的高溫和制冷劑的強(qiáng)腐蝕性，常規(guī)的位置傳感器不能正常工作，因此無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置傳感器控制成了目前研究的熱點(diǎn)，其中如何簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地檢測(cè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)是實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器控制的關(guān)鍵，很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究[1]。
在各類方法中，反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，是目前應(yīng)用最多的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法。文獻(xiàn)[2]通過(guò)檢測(cè)斷開(kāi)相繞組端電壓來(lái)問(wèn)接獲得反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，但需要構(gòu)造一個(gè)虛擬的電機(jī)中性點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生大量的開(kāi)關(guān)噪聲，導(dǎo)致實(shí)際檢測(cè)信號(hào)與反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)有很大的相移。文獻(xiàn)[3—5]提出了不需要構(gòu)造一個(gè)虛擬的電機(jī)中性點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)斷開(kāi)相繞組端電壓直接獲得反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的改進(jìn)方法。但是，上述方法在檢測(cè)到反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)后都需要采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的模擬或數(shù)字電路進(jìn)行相移，才能得到正確的換相時(shí)刻，不能使用霍爾傳感器所采用的成本低廉的轉(zhuǎn)子位置譯碼芯片。為了解決上述問(wèn)題，本文提出對(duì)檢測(cè)的端電壓進(jìn)行簡(jiǎn)單的RC低通濾波和比較后，得到平均線電壓的過(guò)零點(diǎn)正好對(duì)應(yīng)相應(yīng)繞組的換相時(shí)刻，無(wú)需相移，與采用霍爾檢測(cè)器傳感器的信號(hào)完全一致，可使用與霍爾傳感器配套的譯碼芯片，且成本低廉，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
1 位置檢測(cè)原理
具有理想梯形波反電勢(shì)和方波電樞電流的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用三相逆變器供電，每相繞組通電120°電角度，電路如圖1所示。為了調(diào)節(jié)元刷直流
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從節(jié)約成本的角度，通常采用上管PWM，下管恒通的控制方式。反電勢(shì)、電樞電流、換相信號(hào)和開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)如圖2所示。
在一個(gè)360°電角度周期內(nèi)，每相有六個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的等效電路如圖3所示，假設(shè)MOs管和續(xù)流二極管的導(dǎo)通電壓為零，以A相為例，每個(gè)區(qū)間的端電壓表達(dá)式如下：
區(qū)間1和2(θ=30°～90°和θ=90°～150°)
在S1導(dǎo)通，S4或S6導(dǎo)通時(shí)：
從上述推導(dǎo)的端電壓表達(dá)式可以發(fā)現(xiàn)，每個(gè)區(qū)間的瞬時(shí)端電壓波形是PWM調(diào)制波。如圖4所示。設(shè)調(diào)制波的占空比為D，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單RC低通濾波后，端電壓變成了平滑的波形，梯形波、正弦波反電勢(shì)各個(gè)區(qū)間平均端電壓的表達(dá)式如下：
圖4為測(cè)量的A相瞬時(shí)端電壓和相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)。根據(jù)式(16)～式(19)，同理，可得到其它兩相瞬時(shí)端電壓經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單RC低通濾波后的表達(dá)式，將各相的濾波后的端電壓相互相減得到平均線電壓，六個(gè)區(qū)間濾波后的端電壓和線電壓表達(dá)式如表1所示。
根據(jù)表1濾波后的端電壓和線電壓表達(dá)式繪制出它們的波形，為了對(duì)比，同時(shí)將反電勢(shì)波形也繪在圖中，如圖5所示。
從圖中發(fā)現(xiàn)，濾波后的線電壓的過(guò)零點(diǎn)恰好與換相時(shí)刻完全對(duì)應(yīng)，因此，只要檢測(cè)出濾波后的線電壓的過(guò)零點(diǎn)就能得到正確的換相時(shí)刻，而無(wú)需移相，與霍爾傳感器輸出的信號(hào)完全一致，可以利用與霍爾傳感器配套的轉(zhuǎn)子位置譯碼芯片產(chǎn)生六個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)。根據(jù)上述原理，構(gòu)造的實(shí)際檢測(cè)電路如圖6所示。其檢測(cè)機(jī)理是：檢測(cè)到的瞬時(shí)三相PWM端電壓信號(hào)經(jīng)分壓、RC濾波后送到三個(gè)比較器，產(chǎn)生三個(gè)換相信號(hào)。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證本文提出方法的正確性，在一臺(tái)500W、兩對(duì)極的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。不同占空比，不同反電勢(shì)波形濾波后的端電壓、線電壓和換相信號(hào)如圖7所示。從圖中可以看出，在不同的反電勢(shì)波形與速度下新方法輸出的換相信號(hào)與霍爾傳感器輸出換相信號(hào)一致。
3 結(jié)語(yǔ)
理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：新的無(wú)位置傳感器換相檢測(cè)技術(shù)無(wú)需構(gòu)建電機(jī)中性點(diǎn)，無(wú)需移相，通過(guò)對(duì)瞬時(shí)檢測(cè)的三相端電壓進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波比較后，在10％～100％的速度范圍內(nèi)得到的換相信號(hào)與霍爾傳感器輸出的換相信號(hào)完全一樣，可以采用與霍爾傳感器相配套的轉(zhuǎn)子位置譯碼芯片，同時(shí)新方法又克服了霍爾傳感器的缺點(diǎn)。因此，新方法在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中將有廣泛的應(yīng)用前景。
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