劉小虎，吳峻，趙宏濤，陸珊珊
(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，湖南長沙410073)
摘要：根據(jù)直線無刷直流電動機(jī)的特點(diǎn)，在分析傳統(tǒng)的無刷直流電動機(jī)控制方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)卜提出了種簡化的有位置傳感器控制方法，并從推力波動和效率的角度對這種方式的可行性進(jìn)行分析。從理論上推導(dǎo)了這種簡化的控制方式造成電機(jī)推力的波動和效率下降的公式，進(jìn)行r定量分析并通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，這種控制方式可以將其引起的電機(jī)推力波動控制在1％的范圍內(nèi)，能大大簡化電路，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。
關(guān)鍵詞：直線無刷直流電動機(jī)；霍爾傳感器；換相；推力波動中圖分類號：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7018（2010）10-0005-03
0 引 言
無刷直流電動機(jī)具有高效率、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，近年來，它的應(yīng)用變得越來越廣泛，然而電磁轉(zhuǎn)矩脈動是無刷直流電動機(jī)的致命弱點(diǎn)，因此關(guān)于無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩波動和抑制的研究成為熱點(diǎn)。近年來直線電動機(jī)的發(fā)展很快，關(guān)于直線無刷直流電動機(jī)的研究也開始出現(xiàn)，推力大、速度快是其特點(diǎn)之一，然而波動問題卻是其無法避免并且需要進(jìn)行深入研究的。
直線無刷直流電動機(jī)和旋轉(zhuǎn)式永磁無刷電機(jī)原理相似，分為無位置傳感器控制和有位置傳感器控制，每種控制方式都有缺陷，并不能適用所有電機(jī)。無位置傳感器控制的缺點(diǎn)是起動困難、干擾多。有位置傳感器控制方式的主要缺點(diǎn)是需要使用傳感器和位置檢測電路板，岡此占用空間多，不利于電機(jī)的小型化；旋轉(zhuǎn)式有位置傳感器無刷直流電動機(jī)通常采用滯環(huán)比較的方式得到方波信號，其中每個位置傳感器都是處在不斷變化的磁場中，抗電樞磁場干擾能力較強(qiáng)，而直線無刷直流電動機(jī)的霍爾是鋪設(shè)在定子上，理想情況下只有動子經(jīng)過處的霍爾才感應(yīng)變化的磁場，實(shí)際上電樞磁場會對霍爾傳感器產(chǎn)生干擾，若采用滯環(huán)比較方式，當(dāng)非動子經(jīng)過處的霍爾傳感器受到較大的電樞磁場干擾導(dǎo)致比較器輸出發(fā)生變化后再自動恢復(fù)到原狀態(tài)就比較困難，這將得不到正確的轉(zhuǎn)子位置信息，因而也就得不到正確的換相信號，導(dǎo)致電機(jī)無法正常工作。
本文提出的簡化方法是對霍爾傳感器的信號采用單限比較器處理來得到方波，這種方式不存在起動困難的問題，并且抗干擾能力極強(qiáng)，但這種方式會導(dǎo)致電流波形與反電動勢波形的不匹配，引起電機(jī)推力的波動。本文將從理論上分析這一波動的大小，以評估這種簡化控制方式的可行性。
1 電機(jī)運(yùn)行過程分析
圖1是雙邊型直線無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，動子是永磁體，定子繞組按A相-B相-C相的順序循環(huán)直線排列。圖中黑點(diǎn)是霍爾位囂傳感器，根據(jù)動子永磁體磁場強(qiáng)度的變化產(chǎn)生變化的電壓信號，其感應(yīng)的磁場強(qiáng)度為零時的輸出電壓為2.5 V。根據(jù)霍爾信號可以得到轉(zhuǎn)子的位置信息，由此得到的換相信號可保證電機(jī)動子受到同一方向的磁場力做直線運(yùn)動。
理想狀態(tài)下電機(jī)運(yùn)行過程中，霍爾傳感器。、6、C的感應(yīng)信號通過單限比較器整形后得到互差120。占空比為50％的方波信號Ha、Hb、Hc，這三個信號組合后可形成六個換相信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電流的換相，用這種方式得到換相信號的過程可用如圖2所示的框圖表示。
圖3中的虛線分割的六個部分表示理想情況下贏線無刷直流電動機(jī)霍爾位置傳感器經(jīng)比較器后的方波位置信號與電流和反電動勢在一個周期中的六個狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系。
實(shí)際上，霍爾元件不感應(yīng)磁場時的輸出電壓為2.5 V，但是由于受到電樞繞組電流磁場的影響存在波動，并且比較器的參考電壓也有波動，若參考電壓選得過低，或過于接近2.5 v，則可能導(dǎo)致非感應(yīng)動子磁場的霍爾傳感器信號經(jīng)單限比較器后自動翻轉(zhuǎn)，造成位置信號出錯而使電機(jī)無法正常運(yùn)行。因此，比較器的參考電壓應(yīng)大于2.5 V，但這會導(dǎo)致各相霍爾輸出經(jīng)單限比較器后的波形變?yōu)檎伎毡确?0％的方波。
圖4是參考電壓為2.5 V和3 V時a相霍爾傳感器輸出經(jīng)單限比較器后的波形，可看出，參考電壓變化時，方波占空比也變化。
2 電機(jī)推力波動及效率分析
2.1推力波動分析
霍爾電壓變化范圍是[0.5V,4.5V]，實(shí)際參考電壓比2．5 V高△u，對應(yīng)的錯位角為△0，反電動勢為e，△u的范圍是[O，2 V]，霍爾傳感器輸出波形的線性段所占角度與霍爾傳感器所感應(yīng)的動子N極與s極之間磁場強(qiáng)度有關(guān)，即與圖1中兩極之間間距d有關(guān)，按****情況考慮，其角度與間隙d所占電度角一樣大，為30。，則△0的范圍是[O，15。]。在錯位段內(nèi)，任意時刻的各相電流仍為，，非錯位段的反電動勢為E，且一個周期內(nèi)A、B、c三相均形成兩小段錯位段，由于不存在疊加關(guān)系，且三相造成的力的波動是一樣的，因此分析任意一相的波動即可知電機(jī)推力的波動范圍。
式(14)即是由于電壓抬升引起的效率下降公式，由式(14)可算出電壓抬升量為O 2 v時，效率下降約O．031 25％。
3 仿真和實(shí)驗(yàn)分析
采用simulink進(jìn)行仿真，電機(jī)參數(shù)如下：相電阻為O．5 n；反電動勢常數(shù)為2 V／(m·s)；母線電壓為200V；電機(jī)極距為0.276m；相電流為50 A；有效電感為O l mH。圖6和圖7分別為△u=l V和△u=O.2 V時的推力波動圖，其****波動分別為12.5％和2.5％，與公式計算基本吻合�？梢钥闯�，若參考電壓選得過高(接近4.5 V)，推力波動還是比較大，越接近2.5 V，波動越小。
在實(shí)驗(yàn)過程中，對霍爾元件進(jìn)行篩選，使霍爾傳感器不感應(yīng)磁場時的輸出盡量接近2.5 V，單限比較器的參考電壓通過穩(wěn)壓電路得到以減小波動，采取這兩項(xiàng)措施后可使參考電壓選為2.6 V甚至更小，并且由于霍爾元件的靈敏性，其輸出特性的線性段所占的角度遠(yuǎn)小于30°，這樣推力波動遠(yuǎn)小于1％。實(shí)際運(yùn)行過程也確實(shí)是比較平穩(wěn)的。
4 結(jié) 語
直線無刷直流電動機(jī)采用霍爾位置傳感器和單限比較器的方式進(jìn)行換相，原理簡單，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，通過定量分析可知，這種控制方式引起的波動可以控制在很小的范圍內(nèi)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，綜合考慮各種控制方式的特點(diǎn)，在后續(xù)研究過程中，可考慮起動段采用有位置傳感器控制，高速段采用反電動勢法的無位置傳感器控制的方式，這樣既可以解決反電動勢法起動難的問題，又由于只在電機(jī)起動段使用霍爾傳感器，需要的傳感器數(shù)量減少，位置檢測電路板得以簡化，成本也大大降低。
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