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外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感控制技術(shù)研究(zxj)
 
 
    摘要:在詳細(xì)介紹傳統(tǒng)“反電勢(shì)法”無(wú)位置傳感控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出r一種改進(jìn)的“反電勢(shì)法”。該方法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)確、電機(jī)可調(diào)速范圍寬,最后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的正確性和町行性。
    關(guān)鍵詞:無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī);無(wú)位置傳感器;反電勢(shì)法0引  言無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)需要采用位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)位置信號(hào),并利用其輸出信號(hào),通過(guò)電子換相電路,按照一定的邏輯順序去導(dǎo)通功率器件,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的位置傳感器件如霍爾元器件、旋轉(zhuǎn)變壓器等需要裝配在電機(jī)內(nèi)部來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào),由于特殊的電機(jī)結(jié)夠沒計(jì),其安裝和維修都極其的不方便。因此無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感技術(shù)的研究日益受到人們的關(guān)注,而反電勢(shì)法是諸多無(wú)位置傳感控制技術(shù)中比較成熟的一種方法,本文提出的改進(jìn)的反電勢(shì)法所需的硬件簡(jiǎn)單,控制精確、穩(wěn)定,通過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)證明該方法是正確、有效的。
    1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理本文以星形連接、兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,圖1為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制原理框圖,逆變器件以PwM調(diào)制方式工作,控制器以Freesc ale 56F8013為核心。
    對(duì)于三相六狀態(tài)120。導(dǎo)通方式,各功率管的導(dǎo)通順序是SOS3、SOS5、S2S5、S2S1、s4S1、s4s3,當(dāng)導(dǎo)通功率管sOs3時(shí),電流經(jīng)s0管從A相流入,從B相流出,經(jīng)s3管回到電源的負(fù)母線,此時(shí)在電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),這樣在上述六個(gè)狀態(tài)的循環(huán)輪流導(dǎo)通下,轉(zhuǎn)子不斷的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
    改變各功率管的導(dǎo)通順序就可以改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。
    2“反電勢(shì)法”位置檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)2.1“反電勢(shì)法”無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制原理對(duì)于兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),當(dāng)給任意阿相的繞組通電后,定子繞組中的電流將會(huì)產(chǎn)生合成磁場(chǎng),合成磁場(chǎng)將會(huì)使電機(jī)的轉(zhuǎn)子在某個(gè)方向產(chǎn)生一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。而當(dāng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候,由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組的存在,將會(huì)因切割導(dǎo)體磁力線的作用而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),且方向與繞組巾流過(guò)的電流方向相反,所以稱之為反電動(dòng)勢(shì)或反電勢(shì)。對(duì)于理想狀態(tài)下的電機(jī)磁場(chǎng)波形基本上為方波,如圖2所示”-。
    如果無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)的波形為方波且定子繞組為集中整距繞組時(shí),在不考慮其他因素的情況下,電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波,如圖3所示‘。
    在不考慮其他因素的情況下,反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)出現(xiàn)后的m_/6電角度即是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換相時(shí)刻。理想狀態(tài)下無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)三相反電勢(shì)波形圖如圖4所示。
    由圖3和圖4可知,如果想準(zhǔn)確地判斷出轉(zhuǎn)子的位置,反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)就必須準(zhǔn)確及時(shí)。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)信號(hào)后,通過(guò)軟件將過(guò)零點(diǎn)信號(hào)延時(shí)n/6電角度后,就可獲得電機(jī)的換相信號(hào),根據(jù)換相信號(hào)導(dǎo)通相應(yīng)的功率管就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換相,驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此即為反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)法實(shí)現(xiàn)的依據(jù)。
    2 2傳統(tǒng)“反電勢(shì)法”控制原理傳統(tǒng)的“反電勢(shì)法”是搭建虛擬的電機(jī)中性點(diǎn),然后將電機(jī)的三相相電壓分壓后與虛擬中性點(diǎn)比較,輸出的信號(hào)即為反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)。但分壓后的相電壓信號(hào)不可避免地帶入了控制系統(tǒng)中功率管開通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的毛刺、PwM斬波、電磁噪音等干擾,如果不處理,將會(huì)使輸出產(chǎn)生虛假的過(guò)零點(diǎn)信號(hào),所以需對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行低通濾波,傳統(tǒng)的“反電勢(shì)法”過(guò)零檢測(cè)電路如圖5所示。
    傳統(tǒng)“反電勢(shì)法”方法原理和檢測(cè)電路都比較簡(jiǎn)單,因而較容易實(shí)現(xiàn)。但是在開關(guān)管高頻PwM時(shí),容易引入很高的共模電壓和高頻噪聲,且由于引入了低通濾波,易使在不同的轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生不同的信號(hào)移相,位置檢測(cè)不準(zhǔn)確。并且由于在轉(zhuǎn)速較低、反電勢(shì)很小的情況下,檢測(cè)電路很難準(zhǔn)確地檢測(cè)出反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn),所以電機(jī)的調(diào)速范圍有一定的限制。
    2 3改進(jìn)的“反電勢(shì)法”控制原理改進(jìn)“反電勢(shì)法”的控制原理與傳統(tǒng)“反電勢(shì)法”是基本相同的,都是檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào),只不過(guò)它將傳統(tǒng)“反電勢(shì)法”中的分壓電阻改為反并的二極管,通過(guò)二極管的正相導(dǎo)通、反相截止原理可以準(zhǔn)確地將繞組反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)出來(lái),檢測(cè)原理圖如圖6所示,圖中,R為串人的限流電阻,r為電機(jī)內(nèi)阻。
    將分壓電阻改為反并的二極管后,可以不用考慮在不同反電勢(shì)下的電阻分壓比,流入比較器的電壓始終是一個(gè)二極管的壓降,避免_r因?yàn)榉措妱?shì)電壓變化而帶來(lái)的精度不準(zhǔn)確的誤差。而傳統(tǒng)的“反電勢(shì)法”阻值分壓比一般是按照****反電動(dòng)勢(shì)來(lái)設(shè)計(jì)的,這就不可避免地出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速低、反電勢(shì)小的情況下位置檢測(cè)難實(shí)現(xiàn)、不準(zhǔn)確的問(wèn)題,而采用的反并二極管可以很好地避免這個(gè)問(wèn)題,在很低轉(zhuǎn)速下都可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)的功能,所以可以實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)速功能,轉(zhuǎn)速n=40 r/min的實(shí)測(cè)的三相檢測(cè)信號(hào)如圖7所示。需要注意的是,在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在串入反并的二極管后,由于二極管壓降的存在,會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)到的位置信號(hào)比過(guò)零點(diǎn)信號(hào)滯后一個(gè)固定的電角度,在軟件延時(shí)時(shí)需要做一定的補(bǔ)償。
    3系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)由于本控制系統(tǒng)采用的是無(wú)位置傳感器設(shè)計(jì)方案,因此檢測(cè)電路正確及時(shí)地檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)是非常重要的。系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)思想主要分為轉(zhuǎn)子定位、開環(huán)起動(dòng)、閉環(huán)控制三個(gè)步驟。電機(jī)的起動(dòng)是通過(guò)發(fā)同定脈沖,按逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向輪流的導(dǎo)通開關(guān)管使電機(jī)旋轉(zhuǎn),當(dāng)獲得電機(jī)的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)后電機(jī)切換為自同步運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán),驅(qū)動(dòng)電機(jī)穩(wěn)定工作,主程序流程圖如圖8所示。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果以一臺(tái)額定電壓三相380 V、額定功率1.7 kw、額定轉(zhuǎn)速1 200r/min、額定轉(zhuǎn)矩14 N·m,八極外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),利用MAG—TROL測(cè)功機(jī)給無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)做負(fù)載性試驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明采用上述無(wú)位置傳感控制技術(shù),電機(jī)系統(tǒng)起動(dòng)平穩(wěn),無(wú)振動(dòng)和失步現(xiàn)象,調(diào)速范圍為20~1 200r/min,樣機(jī)和控制器測(cè)試平臺(tái)以及實(shí)驗(yàn)波形如圖9~圖12所示。
    5結(jié)語(yǔ)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)到的波形與理論分析基本符合一致。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,整個(gè)控制系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和穩(wěn)定調(diào)速,電機(jī)在滿載情況下的運(yùn)行情況也比較理想。
    無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可在惡劣的工作環(huán)境下工作,受干擾比較小,可靠性高,成本較低,具有廣闊的市場(chǎng)前景。
 
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