摘要：針對(duì)稀土永磁無刷直流電機(jī)(BLDcM)．借助電機(jī)本體所同確的三相Hall轉(zhuǎn)子位置傳感器，通過空間矢量脈寬調(diào)制(svPwM)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了BLDcM的正弦波電流驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與力波電流驅(qū)動(dòng)相比，采用正弦波驅(qū)動(dòng)可有效減小BIll)cM的運(yùn)行噪聲，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)低成本家用電器等領(lǐng)域的靜音運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：稀土水磁；無刷直流電機(jī)；空間矢量脈寬調(diào)制；正弦波驅(qū)動(dòng)
0 引 言
在一些要求低噪聲的寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)巾，采用方波電流驅(qū)動(dòng)的稀土永磁(REPM)無刷直流電機(jī)(BLD—cM)，其低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)牛的噪聲仍無法忍受，如家用電器中的吸油煙機(jī)、靜音空調(diào)機(jī)、臥室小冰箱等目前，方波驅(qū)動(dòng)的BLDcM調(diào)速范同多數(shù)只能做到10：1，雖然采用自身Hall轉(zhuǎn)子位置傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)能做到轉(zhuǎn)速精度達(dá)1％，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)導(dǎo)致的小范圍轉(zhuǎn)速振蕩依然會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲，尤其在低速運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)操作者或使用者感覺極不舒服。
為了解決這一問題，人們采用了斜槽、無槽、甚至空心杯結(jié)構(gòu)等辦法，試罔通過電機(jī)本體的改造來降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲，但卻又加大了電機(jī)的制造成本。也有人干脆采用永磁同步電機(jī)(PMsM)的矢量控制技術(shù)來解決，但由于需要增加一個(gè)價(jià)格不菲的高精度角度位置傳感器，又造成系統(tǒng)成本進(jìn)一步加大，從而失去低端產(chǎn)品市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
眾所周知，稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。隨著單片機(jī)等高性能微處理器成本的不斷降低，借助BLDcM電機(jī)本體自身所同有的霍爾(Hall)轉(zhuǎn)子位置傳感器，采用電壓空間矢量(sVP—wM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)其正弦波驅(qū)動(dòng)，則可在不增加硬件成本的條件下，達(dá)到BLDcM的低噪聲驅(qū)動(dòng)和寬范圍調(diào)速的目的，同時(shí)也大大提高了這種機(jī)電一體化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
本文針對(duì)具有正弦波反電勢(shì)或平頂寬度小于一定數(shù)值的梯形波反電勢(shì)的BLDcM，采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)，并使用高性能、低成本clsPIc30F3011單片機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．結(jié)果表明：正弦波電流驅(qū)動(dòng)的BLDcM，其機(jī)械特性硬度不變，預(yù)防波電流驅(qū)動(dòng)相比，機(jī)械特性向下平移；但由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小，有效地降低，電機(jī)的音頻噪聲，在不增加產(chǎn)品硬件成本的前提下，增加了產(chǎn)品的舒適性。
1 實(shí)現(xiàn)機(jī)理
轉(zhuǎn)子不帶鼠籠條的永磁同步電機(jī)一般不具備自起動(dòng)能力，在作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，通常有兩種控制方法。
(1)他控式
這是一種開環(huán)標(biāo)量控制系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；多用于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能要求不高或穩(wěn)速運(yùn)行的系統(tǒng)中；常常要求一臺(tái)變頻器可帶動(dòng)多臺(tái)電機(jī)嚴(yán)格按照某一固定頻率恒速運(yùn)行，如紡織行業(yè)。
其缺點(diǎn)是調(diào)速范圖有限，控制不當(dāng)可能導(dǎo)致失步，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。
(2)自控式
這是一種閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，有人也將其稱為無刷交流電機(jī)(BLAcM)。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)速、力矩的控制精度高，魯棒性強(qiáng)，不會(huì)出現(xiàn)失步；而且系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能高，適用范圍廣，多用于高件能伺服系統(tǒng)巾；其缺點(diǎn)是系統(tǒng)包含有高分辨率轉(zhuǎn)子角度位置傳感器(如光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜；系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)計(jì)算施加電壓矢量，其運(yùn)算量大，硬件要求高；要實(shí)現(xiàn)高精度或?qū)挿秶鷾Y速，系統(tǒng)的控制算法及軟件實(shí)現(xiàn)難度較高。
但是，對(duì)于三相PMSM來說，這兩種控制力式的共同特點(diǎn)都是正弦波驅(qū)動(dòng)，都是以電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的圓形化為控制目標(biāo)，也都是采用三相橋式逆變器作為主功率電路，這一點(diǎn)正好與三相BLDcM功率驅(qū)動(dòng)電路相同。為此，在不改變功率逆變器及其信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路的前提下，可以通過改動(dòng)系統(tǒng)軟件直接實(shí)現(xiàn)B1．DCM的正弦波驅(qū)動(dòng)。為了克服負(fù)載變化可能引起的BLDcM失步，采用其自身固有的HaⅡ轉(zhuǎn)子位置傳感器來進(jìn)行閉環(huán)，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)了位置信息，計(jì)算或查表所加的正弦波電壓，即可實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的自控式正弦波平滑驅(qū)動(dòng)。
2轉(zhuǎn)子位置
估計(jì)一般，為了保汪PMSM定了電壓空間矢量與轉(zhuǎn)子保持恒定的夾角且同步旋轉(zhuǎn)，必須實(shí)時(shí)估算轉(zhuǎn)子的位置。
假定三相橋式逆變器的6個(gè)基本電壓空間矢量(U1～U6和2個(gè)零點(diǎn)壓矢量Ua和U7在兩相靜α-β坐標(biāo)系下的分布如圖l所示。
通常根據(jù)BLDcM的三相轉(zhuǎn)子Hall位置傳感器可產(chǎn)生6個(gè)準(zhǔn)確的位置信號(hào)，且其頻率反映了轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率。假定正常狀態(tài)下，A相Hall傳感器的安裝位置使得A相Hall信號(hào)上跳沿滯后A相繞組反電勢(shì)過零點(diǎn)：30電角度，則正弦波相電壓、參考電壓空間矢量在罔1中所處扇區(qū)及其相位角目與三個(gè)Hall傳感器信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。圖2中的θ代表“一口坐標(biāo)系下參考電壓空間欠量與α軸(即A相軸)的夾角電機(jī)起動(dòng)時(shí)，先讀取Hall信號(hào)位置，進(jìn)而確定參考電壓空間矢量所處的扇區(qū)，然后以該扇區(qū)起始相角作為初始相角，控制參考電壓空間矢量以某一固定速度旋轉(zhuǎn)。電機(jī)在起動(dòng)并旋轉(zhuǎn)一個(gè)電周期后，即可檢測(cè)出一相Hall信號(hào)頻率，并根據(jù)該Hall信號(hào)頻率與調(diào)制頻率的關(guān)系，可計(jì)算出一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度，以此作為每調(diào)制周期內(nèi)參考電壓矢量的步進(jìn)角，進(jìn)而使電機(jī)進(jìn)入自同步運(yùn)行。
 在自同步運(yùn)行的過程中，總是依據(jù)上一電周期所測(cè)得的轉(zhuǎn)子速度作為當(dāng)前電周期內(nèi)定子參考電壓空間欠量的旋轉(zhuǎn)速度，由于測(cè)量誤差或轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，在當(dāng)前Hall位置信號(hào)來臨時(shí)，電壓空間矢景的實(shí)際相位有可能超前或滯后于基準(zhǔn)位置，如電壓空間欠量已經(jīng)轉(zhuǎn)過60。但實(shí)際轉(zhuǎn)子剛轉(zhuǎn)至60。，此時(shí)，應(yīng)將電壓窄間矢量的相位角校正為基準(zhǔn)位置的相位角，由于始終有6個(gè)準(zhǔn)確Hau位置信號(hào)的校正作用，因而可將誤差累積限定在60。的電角度內(nèi)，保證了電機(jī)的自同步運(yùn)行。
為了使電機(jī)始終能獲得****的電磁轉(zhuǎn)矩，必須保持電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的夾角為90。電角度，而定子磁動(dòng)勢(shì)與定子電流空間矢量同相位，假定定了電壓空間矢量超前定子電流矢量θ電角度，則圖2的各相位角應(yīng)補(bǔ)償θ+θa。
3結(jié)果及分析
試驗(yàn)樣機(jī)為一臺(tái)帶三相Hall轉(zhuǎn)子位置傳感器的空心杯形外轉(zhuǎn)子 BLDcM，其反電勢(shì)波形為正弦波。
電機(jī)參數(shù)為：額定功率Pn=120 w，額定電壓uN=24 V，額定轉(zhuǎn)速nk=4000 r／min,極對(duì)數(shù)p=4，相電感L=O．0l mH，相電阻月=O.15 n.分別用方波驅(qū)動(dòng)和sVPwM正弦驅(qū)動(dòng)方式在轉(zhuǎn)矩測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行機(jī)械特性測(cè)試和負(fù)載運(yùn)行實(shí)驗(yàn).兩種驅(qū)動(dòng)方式下電機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖3所示。
圖3可見，正弦波驅(qū)動(dòng)方式下的機(jī)械特性曲線幾乎相當(dāng)于方波驅(qū)動(dòng)方式下機(jī)械特性曲線的向下平移，兩種驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)械特性硬度不變，具體表現(xiàn)為同一負(fù)載力矩下正弦波驅(qū)動(dòng)比方波驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速低；或者說在同一轉(zhuǎn)速下，正弦波驅(qū)動(dòng)比方波驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩小。
如果進(jìn)行負(fù)載實(shí)驗(yàn)，讓兩種驅(qū)動(dòng)方式下電機(jī)均工作在750 r／min的低速，在電機(jī)軸均加0 27 NIn的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則通過泰克示波器實(shí)測(cè)到的A相電流波形分別如圖4和圖5所示。其中，上面一條曲線均為A相Hall位置傳感器的輸出脈沖波形，下面一條曲線均為A相電流波形，且電流值單位為l A／v。
圖4和圖5表明，采用三相Ha ll轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)BLDcM的正弦波電流驅(qū)動(dòng)，其相電流具有良好的正弦性。根據(jù)示波器顯示的方波驅(qū)動(dòng)和正弦驅(qū)動(dòng)相電流有效值分別為4.27 A和4.02 A可以看出，在電機(jī)軸輸冉功率相同的情況下，方波驅(qū)動(dòng)時(shí)一部分相電流(諧波部分)沒有用來做功，而是被白白浪費(fèi)掉，因此說明同樣的輸出轉(zhuǎn)矩，方波驅(qū)動(dòng)效率要略低于正弦波驅(qū)動(dòng)。
圖6和圖7為三相逆變器直流母線電流波形，在正弦驅(qū)動(dòng)方式下直流母線電流峰峰值為0.34 A，而方波驅(qū)動(dòng)方式下直流母線電流的峰峰值為0.48 A。
可以看出，在方波驅(qū)動(dòng)方式下進(jìn)行PwM斬波時(shí)，由于采用120。三相六狀態(tài)兩管導(dǎo)通方式，電機(jī)合成磁鏈為六步運(yùn)行軌跡，繞組中電感上的能量通過兩相繞組續(xù)流，續(xù)流能量與直流母線電容交換得比較劇烈，電流連續(xù)性不好，從而造成部分能量損失，使得效率降低。而在正弦驅(qū)動(dòng)方式采用三管互補(bǔ)導(dǎo)通方式，續(xù)流僅發(fā)生在很短的“死區(qū)”時(shí)間內(nèi)，電流連續(xù)性好，諧波含量低，驅(qū)動(dòng)效率高，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也小，電機(jī)音頻噪聲就低。
4結(jié)論
本文針對(duì)具有正弦波反電勢(shì)及三相霍爾傳感器的BLDcM，采用基于電壓空間矢量的脈寬調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的自控式正弦波驅(qū)動(dòng)。結(jié)果表明，該方法與傳統(tǒng)的直接方波驅(qū)動(dòng)方式相比，在不增加系統(tǒng)成本的前提下，可有效減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低電機(jī)的運(yùn)行噪聲，具有很好的應(yīng)用前景。 |
