無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)新型電流檢測(cè)方法
逢格民，李鐵才（哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，深圳518055）
摘要：為了檢測(cè)三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組內(nèi)產(chǎn)生力矩的電流，在電機(jī)工作于三相六拍兩兩導(dǎo)通控制方式時(shí)，針對(duì)逆變器下橋臂開(kāi)關(guān)管調(diào)制方式，提出了一種新型電流檢測(cè)拓?fù)�。分析了電機(jī)繞組在各種狀態(tài)下檢測(cè)電流與電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。分析和實(shí)驗(yàn)證明，該拓?fù)淠軌蚝?jiǎn)單、有效的檢測(cè)出電機(jī)的力矩電流，對(duì)抑制電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有重要意義。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；電流檢測(cè)；電磁轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)矩波動(dòng)
中圖分類號(hào)：TM36+1; TP274+.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-6848(2010) 01-0091-03
0 引 言
轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問(wèn)題一直是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問(wèn)題{1，2}。想要有效的抑制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，首先要準(zhǔn)確檢測(cè)出反映力矩大小的電流。目前三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)通常采用相電流瞬時(shí)值或母線電流瞬時(shí)值的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。前者需要3個(gè)獨(dú)立的電流傳感器以及電流調(diào)節(jié)器，導(dǎo)致電路冗余、軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；后者忽略了電動(dòng)機(jī)繞組電感的續(xù)流作用，續(xù)流電流在逆變電路和電動(dòng)機(jī)繞組中形成內(nèi)環(huán)流，無(wú)法通過(guò)安裝于母線上的電流傳感器檢測(cè)因此常用于限制過(guò)電流[3]。本文針對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)逆變器下橋臂開(kāi)關(guān)管調(diào)制方式，提出了一種新型電流檢測(cè)方案，該方案通過(guò)簡(jiǎn)易的方法，精確地檢測(cè)出了電機(jī)繞組內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流。
1新型電流檢測(cè)方案拓?fù)?/B>
三相星型連接的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)大多采用三相六拍兩兩導(dǎo)通控制方式。在這種控制方式下，本文針對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)管下橋臂調(diào)制方式，對(duì)傳統(tǒng)的逆變電路作了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，提出了新型電流檢測(cè)方案，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。線圈L1、L2中電流i1、i2方向以圖中覿定的方向?yàn)檎较颉Ｐ滦碗娏鳈z測(cè)方案中檢測(cè)電流為圖1中電流i1、i2之
和。即檢測(cè)電流滿足： i=i1+i2 (1)
實(shí)現(xiàn)電流相加的具體方法為：將L1、L2按照一定纏繞方向纏繞在帶有氣隙的環(huán)形磁性材料上，使得當(dāng)L1、L2中電流按照?qǐng)D1中規(guī)定的電流方向流動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向一致，如圖2所示。
在磁性材料的氣隙中安裝線性霍爾傳感器，于是傳感器的輸出K。；正比于氣隙磁場(chǎng)B，即：
而氣隙磁場(chǎng)B與線圈電流關(guān)系為：
由式(1) -式(3)得到：
即電流傳感器輸出反映圖1中電流i1, i2之和i。
2 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與傳感器電流的關(guān)系
設(shè)電機(jī)三相對(duì)稱，每相繞組具有相同的特性和參數(shù)；L為繞組的自感和互感之差；R為繞組的
電阻；Ea EbEc分別為A、B、C相反電動(dòng)勢(shì)；ia、ib、ic分別表示每相繞組的電流；t為電磁轉(zhuǎn)矩；Pe為電磁功率；Ω為機(jī)械角速度，則電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程為：
假設(shè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)狀態(tài)切換順序依次為AB→AC→BC→BA→CA→CB→AB，如圖3所示。圖3中，梯形波為理想狀態(tài)下A、B、C相繞組反電動(dòng)勢(shì)，方波為理想狀態(tài)下各相繞組電流。下面將分非換相時(shí)刻及換相時(shí)刻分別討論電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te與傳感器電流i的關(guān)系。
2.1非換相時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩與傳感器電流的關(guān)系
不失一般性，以電機(jī)工作在AB狀態(tài)為例分析。如圖3，在AB狀態(tài)時(shí)有：
其中，E為繞組反電動(dòng)勢(shì)****值。此時(shí)，圖1中開(kāi)關(guān)管Q1始終導(dǎo)通，電流回路分為下橋臂開(kāi)關(guān)管Q6導(dǎo)通PWM_ ON及關(guān)斷PWM_ OFF兩種情況。
當(dāng)PWM—ON時(shí)，電流回路經(jīng)過(guò)L1、Q1、A相繞組、B相繞組、Q6，如圖4(a)所示（實(shí)線部分表示電流路徑，下同）。因此有：
將式(6)、式(7)代入式(5)得：
當(dāng)PWM OFF時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通，Q6關(guān)斷，電流回路經(jīng)過(guò)Q1、A相繞組、B相繞組、續(xù)流二極管D3、L2，如圖4(b)所示。因此有：
將式(6)、式(9)代人式(5)得：
由式(8)、式(10)可以得出結(jié)論：在非換相時(shí)刻，傳感器檢測(cè)的電流正比于電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，傳感器電流為電機(jī)的力矩電流。
2.2換相時(shí)刻電磁轉(zhuǎn)矩與傳感器電流的關(guān)系
不失一般性，以AB狀態(tài)向AC狀態(tài)換相為例分析。如圖3，在該換相時(shí)刻有：
將式(11)代入式(5)得：
換相時(shí)，B相繞組屯流不會(huì)瞬間降為零，而是通過(guò)二極管D3續(xù)流。開(kāi)關(guān)管Q1始終導(dǎo)通，電流回路分為下橋臂開(kāi)關(guān)管02導(dǎo)通PWM_ ON及關(guān)斷PWM_ OFF兩種情況。
當(dāng)PWM—ON時(shí)，電流回路有兩條，一條經(jīng)過(guò)線圈L1、開(kāi)關(guān)管Q1、繞組A、繞組C、開(kāi)關(guān)管Q2，另一條為續(xù)流回路，經(jīng)過(guò)繞組B、二極管D3、線圈L2、開(kāi)關(guān)管Q1、繞組A，如圖5(a)所示。因此有：
將式(13H-F:A式(12)得
當(dāng)PWM一OFF時(shí)，也有兩條電流回路。一條經(jīng)過(guò)繞組C、二極管D5、線圈L2、開(kāi)關(guān)管01、繞組A，另一條經(jīng)過(guò)繞組B、二極管D3、線圈L2、開(kāi)關(guān)管Q1、繞組A，如圖5(b)所示。因此有：
將式(15)代入式(12)得：
由式(14)、式(16)可以得出結(jié)論：在換相時(shí)刻，傳感器檢測(cè)的電流正比于電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，傳感器電流為電機(jī)的力矩電流。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文對(duì)所提出的電流檢測(cè)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：額定功率600 W;額定電壓200 V；額定轉(zhuǎn)速5 000 r/min；三相8極；繞組電阻1.5Ω；繞組電感7.2 mH。實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。圖6(a)為繞組相電流波形，圖6(b)為電流傳感器檢測(cè)電流波形，即電機(jī)力矩電流。
4結(jié)論
在三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作于六拍兩兩導(dǎo)通方式且選擇逆變器下橋臂開(kāi)關(guān)管調(diào)制方式時(shí)，采用這種新型電流檢測(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠利用單電流傳感器獲得電機(jī)繞組內(nèi)產(chǎn)生力矩的電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)與轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。分析與實(shí)驗(yàn)均證明，該方法簡(jiǎn)單、精確、有效。
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