無刷直流電動機新型電流檢測方法
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：為了檢測三相無刷直流電動機繞組內(nèi)產(chǎn)生力矩的電流，在電機工作于三相六拍兩兩導(dǎo)通控制方式時，針對逆變器下橋臂開關(guān)管調(diào)制方式，提出了一種新型電流檢測拓?fù)洹７治隽穗姍C繞組在各種狀態(tài)下檢測電流與電機電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，并進行了實驗驗證。分析和實驗證明，該拓?fù)淠軌蚝唵�、有效的檢測出電機的力矩電流，對抑制電機轉(zhuǎn)矩脈動具有重要意義。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動機；電流檢測；電磁轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)矩波動
中圖分類號：TM36+1; TP274+.5 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-6848(2010) 01-0091-03
0 引 言
轉(zhuǎn)矩波動問題一直是無刷直流電動機控制領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問題{1，2}。想要有效的抑制電機的轉(zhuǎn)矩波動，首先要準(zhǔn)確檢測出反映力矩大小的電流。目前三相無刷直流電動機通常采用相電流瞬時值或母線電流瞬時值的方法來實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。前者需要3個獨立的電流傳感器以及電流調(diào)節(jié)器，導(dǎo)致電路冗余、軟件實現(xiàn)復(fù)雜；后者忽略了電動機繞組電感的續(xù)流作用，續(xù)流電流在逆變電路和電動機繞組中形成內(nèi)環(huán)流，無法通過安裝于母線上的電流傳感器檢測因此常用于限制過電流[3]。本文針對無刷直流電動機系統(tǒng)逆變器下橋臂開關(guān)管調(diào)制方式，提出了一種新型電流檢測方案，該方案通過簡易的方法，精確地檢測出了電機繞組內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流。
1新型電流檢測方案拓?fù)?/B>
三相星型連接的無刷直流電動機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，本文針對逆變器開關(guān)管下橋臂調(diào)制方式，對傳統(tǒng)的逆變電路作了適當(dāng)?shù)母倪M，提出了新型電流檢測方案，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為正方向。新型電流檢測方案中檢測電流為圖1中電流i1、i2之
和。即檢測電流滿足： i=i1+i2 (1)
實現(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中電流按照圖1中規(guī)定的電流方向流動時，兩個線圈產(chǎn)生的磁場方向一致，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B，即：
而氣隙磁場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 電機電磁轉(zhuǎn)矩與傳感器電流的關(guān)系
設(shè)電機三相對稱，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相反電動勢；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為機械角速度，則電機電磁轉(zhuǎn)矩方程為：
假設(shè)無刷直流電動機狀態(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相繞組反電動勢，方波為理想狀態(tài)下各相繞組電流。下面將分非換相時刻及換相時刻分別討論電機電磁轉(zhuǎn)矩Te與傳感器電流i的關(guān)系。
2.1非換相時電磁轉(zhuǎn)矩與傳感器電流的關(guān)系
不失一般性，以電機工作在AB狀態(tài)為例分析。如圖3，在AB狀態(tài)時有：
其中，E為繞組反電動勢****值。此時，圖1中開關(guān)管Q1始終導(dǎo)通，電流回路分為下橋臂開關(guān)管Q6導(dǎo)通PWM_ ON及關(guān)斷PWM_ OFF兩種情況。
當(dāng)PWM—ON時，電流回路經(jīng)過L1、Q1、A相繞組、B相繞組、Q6，如圖4(a)所示（實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，開關(guān)管Q1導(dǎo)通，Q6關(guān)斷，電流回路經(jīng)過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：在非換相時刻，傳感器檢測的電流正比于電機電磁轉(zhuǎn)矩，傳感器電流為電機的力矩電流。
2.2換相時刻電磁轉(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，在該換相時刻有：
將式(11)代入式(5)得：
換相時，B相繞組屯流不會瞬間降為零，而是通過二極管D3續(xù)流。開關(guān)管Q1始終導(dǎo)通，電流回路分為下橋臂開關(guān)管02導(dǎo)通PWM_ ON及關(guān)斷PWM_ OFF兩種情況。
當(dāng)PWM—ON時，電流回路有兩條，一條經(jīng)過線圈L1、開關(guān)管Q1、繞組A、繞組C、開關(guān)管Q2，另一條為續(xù)流回路，經(jīng)過繞組B、二極管D3、線圈L2、開關(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，也有兩條電流回路。一條經(jīng)過繞組C、二極管D5、線圈L2、開關(guān)管01、繞組A，另一條經(jīng)過繞組B、二極管D3、線圈L2、開關(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：在換相時刻，傳感器檢測的電流正比于電機電磁轉(zhuǎn)矩，傳感器電流為電機的力矩電流。
3實驗結(jié)果
本文對所提出的電流檢測方法進行了實驗驗證，所用無刷直流電動機參數(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。實驗波形如圖6所示。圖6(a)為繞組相電流波形，圖6(b)為電流傳感器檢測電流波形，即電機力矩電流。
4結(jié)論
在三相無刷直流電動機工作于六拍兩兩導(dǎo)通方式且選擇逆變器下橋臂開關(guān)管調(diào)制方式時，采用這種新型電流檢測拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠利用單電流傳感器獲得電機繞組內(nèi)產(chǎn)生力矩的電流，進而實現(xiàn)電流閉環(huán)與轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。分析與實驗均證明，該方法簡單、精確、有效。
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