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郝曉輝 (清華大學(xué)北京100084)
劉昌旭 （西北工業(yè)大學(xué)）
【摘 要】提出一種新穎的自尋****點(diǎn)切換法，解決了反電勢(shì)換向運(yùn)行的無位置檢測(cè)器無刷直流電機(jī)控制中存在的由起動(dòng)段外同步運(yùn)行到反電勢(shì)換向自同步運(yùn)行的切換過程容易失步的問題。成功地把它運(yùn)用于研制的樣機(jī)中。
【敘 詞】／自尋****點(diǎn)切換法／無位置檢測(cè)器無刷直流電動(dòng)機(jī)／切換
1 引 言
反電勢(shì)換向運(yùn)行的無刷直流電機(jī)近年發(fā)展很快，在許多方面獲得了廣泛的應(yīng)用。此類電機(jī)運(yùn)行控制中一直存在一個(gè)不易解決的問題，它產(chǎn)生于這種電機(jī)固有的運(yùn)行過程。
對(duì)于反電勢(shì)換向運(yùn)行的電機(jī)，它是依據(jù)定子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)子位置有確定關(guān)系這一原理工作的[1]。感應(yīng)電勢(shì)的幅值與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速較低時(shí)，反電勢(shì)為零或較弱，無法被檢測(cè)出用以確定轉(zhuǎn)子磁極的空間位置，也就不能用于反電勢(shì)換流。這時(shí)就需要人為地給電機(jī)施加由低頻到高頻不斷加速的外同步切換信號(hào)，使電機(jī)以外同步方式由靜止逐步加速轉(zhuǎn)動(dòng)。
當(dāng)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速的升高達(dá)到一定值時(shí)，通過端電壓檢測(cè)已經(jīng)能夠確知電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。這時(shí)即通過計(jì)算機(jī)將電機(jī)由外同步運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換為無刷電機(jī)的自同步運(yùn)行萬式。
電機(jī)由外同步變頻加速運(yùn)行方式到自同步運(yùn)行方式間有一轉(zhuǎn)換過程。國內(nèi)這種電機(jī)一般以一變頻振蕩器產(chǎn)生變頻加速同步切換脈沖，以定時(shí)控制電路控制電機(jī)從外同步運(yùn)行狀態(tài)切換到自同步開環(huán)或閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。也就是說其切換方式都是當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一速度時(shí)由硬件電路關(guān)斷外同步信號(hào)，立即轉(zhuǎn)入反電動(dòng)勢(shì)控制運(yùn)行階段。如文獻(xiàn)2、3中的電機(jī)都是采用這種方式進(jìn)行切換。
然而，當(dāng)反電勢(shì)控制的換向信號(hào)與計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的外同步驅(qū)動(dòng)信號(hào)間相位相差過大時(shí)，這一切換過程就會(huì)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致電機(jī)失步，進(jìn)而停轉(zhuǎn)。目前國內(nèi)采用的解決辦法有二：
(1)通過多次調(diào)試確定電機(jī)****切換速度。
(2)由于許多被控電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，故一二次失步影響不大，其慣性使電機(jī)仍可以順利運(yùn)行下去。
這些解決辦法不能夠確切地掌握外同步到自同步的切換點(diǎn)，都屬粗放性控制方法。即使能避免失步，也必然會(huì)導(dǎo)致切換時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩很小，易受干擾。并且這種方法需要多次測(cè)量，會(huì)帶來繁重的工作量。
2 自尋****點(diǎn)切換法
2.1方法引入
針對(duì)反電勢(shì)換向運(yùn)行的無位置檢測(cè)器無刷直流電機(jī)中存在的這一問題，為了使電機(jī)切換時(shí)不致因外同步信號(hào)與自同步信號(hào)間相位相差過大而導(dǎo)致失步現(xiàn)象發(fā)生；確保切換瞬間轉(zhuǎn)矩不致過小而難以抗負(fù)載擾動(dòng)；盡量減少調(diào)試工作量；提出一種獨(dú)特的自尋****點(diǎn)切換法。
這一方法的應(yīng)用基礎(chǔ)是電機(jī)運(yùn)行過程應(yīng)全部由軟件控制。筆者研制了一臺(tái)用于醫(yī)療牙鉆的無位置檢測(cè)器無刷直流電機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以8098單片機(jī)為核心，輔以必要的電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)、反電勢(shì)檢測(cè)、過流保護(hù)等電路，以******的硬件完成了該電機(jī)全部性能指標(biāo)要求。電機(jī)所有運(yùn)行過程的控制均由軟件完成。起動(dòng)道程中外同步變頻加速信號(hào)由計(jì)算機(jī)根據(jù)一延時(shí)表格提供，反電勢(shì)自同步運(yùn)行過程中，整形后的反電勢(shì)過零信號(hào)的讀入、處理及反電勢(shì)換向信號(hào)的產(chǎn)生和輸出由計(jì)算機(jī)按一定的算法實(shí)現(xiàn)。在全數(shù)字控制的基礎(chǔ)上，成功地實(shí)現(xiàn)了自尋****點(diǎn)切換方法，保證了電機(jī)切換過程的順利完成，經(jīng)千次以上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從未出現(xiàn)失步現(xiàn)象。
2.2反電勢(shì)換向的實(shí)現(xiàn)
反電勢(shì)控制的換向信號(hào)產(chǎn)生原理：研制的系統(tǒng)中電機(jī)功率較小，故采用一相導(dǎo)通星形三相三狀態(tài)的半橋驅(qū)動(dòng)方式。反電勢(shì)信號(hào)由三相繞組端部取出，經(jīng)分壓、濾波、整形、隔離后送給8098單片機(jī)。8098根據(jù)反電勢(shì)過零信號(hào)延遲30。對(duì)應(yīng)的上跳沿決定三相導(dǎo)通后，立即將三相繞組開通信號(hào)送出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制相應(yīng)繞組饋電，從而實(shí)現(xiàn)反電勢(shì)換向。三相反電勢(shì)信號(hào)與對(duì)應(yīng)的繞通信號(hào)間關(guān)系如圖1所示。
對(duì)于單相，繞組工作波形見圖2。
從圖2中可知，即反電勢(shì)過零點(diǎn)延時(shí)30。處對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)的上跳沿。這一上跳沿觸發(fā)產(chǎn)生繞組換向信號(hào)。此信號(hào)既是一相繞組的開通信號(hào)，同時(shí)也是另一相繞組的關(guān)斷信號(hào)。起動(dòng)段的外同步加速信號(hào)則由計(jì)算機(jī)根據(jù)一延時(shí)表格產(chǎn)生，電機(jī)被強(qiáng)制拉入同步。
2.3方法討論
反電勢(shì)接管換向控制的過程如圖3所示
起動(dòng)后一段時(shí)間，系統(tǒng)不斷比較應(yīng)關(guān)斷的某一相如B相，其自同步關(guān)斷時(shí)刻與外同步關(guān)斷時(shí)刻間差值。當(dāng)這一差值小于某一設(shè)定閾值時(shí)，則以反電動(dòng)勢(shì)切換信號(hào)取代外同步信號(hào)進(jìn)入自同步運(yùn)行。
設(shè)電機(jī)正處于外同步運(yùn)行階段，則某一次換向后計(jì)算機(jī)由延時(shí)表中數(shù)據(jù)可推算下一次換向（設(shè)下一次換向繞組通斷信號(hào)為010（A斷B通C斷））的時(shí)刻。若此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速已足夠大，則反電勢(shì)信號(hào)已經(jīng)能夠被用來確定轉(zhuǎn)子磁極的空間位置從而決定電機(jī)換向。計(jì)算機(jī)同時(shí)記錄反電勢(shì)換向信號(hào)確定的繞組通斷信號(hào)亦為OIO(A斷B通C斷)的時(shí)刻。因?yàn)闀r(shí)間與相角是對(duì)應(yīng)的，因此相位差a
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
這一方法在樣機(jī)實(shí)際起動(dòng)運(yùn)行過程中很好地完成了外同步運(yùn)行到自同步運(yùn)行的切換。由于樣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，相位差稍大即會(huì)導(dǎo)致失步，而樣機(jī)的多次實(shí)驗(yàn)中從未出現(xiàn)問題，這一點(diǎn)足以證明此方法的有效性及優(yōu)越性。
對(duì)實(shí)際運(yùn)行過程的測(cè)試證實(shí)采用這種方法后切換時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩增大。當(dāng)對(duì)閾值不加限制時(shí)，此法與國內(nèi)其它無位置檢測(cè)器無刷直流電機(jī)系統(tǒng)一樣，采用到一定轉(zhuǎn)速強(qiáng)行切換的辦法，則切換時(shí)轉(zhuǎn)矩****為9.8×l0-3Nm，且不穩(wěn)定。穩(wěn)定值為7.35×10-3Nm，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為7. 84×10-2Nm，而取閾值a=5ms時(shí)，電機(jī)切換轉(zhuǎn)矩提高到4.45×10 -3Nm穩(wěn)定值[4]。
4結(jié)語
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，自尋****點(diǎn)切換法在采用全數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行全過程的前提下，可以很好地完成無位置檢測(cè)器無刷直流電機(jī)由外同步起動(dòng)到反電勢(shì)自同步運(yùn)行的切換。這一方法若應(yīng)用于中小型無位置檢測(cè)器無刷直流電動(dòng)機(jī)，相信它們的起動(dòng)性能指標(biāo)會(huì)有很大的提高。
郝曉輝：男，1972年12月出生，現(xiàn)在清華大學(xué)電機(jī)及應(yīng)用電子技術(shù)系攻讀博士學(xué)位。
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