方波無刷直流電動(dòng)機(jī)無傳感器控制與弱磁控制
呂曉春 沈建新 杜軍紅 陳永校(浙江大學(xué)杭州310027)
【摘 要】針對(duì)方波無刷直流電動(dòng)機(jī)，討論根據(jù)激磁電勢(shì)波形確定電機(jī)換向時(shí)序的“端電壓法”無傳感器控制方法，并詳細(xì)闡述其特殊的起動(dòng)過程和雙向運(yùn)行技術(shù)。通常弱磁控制適用于正弦電機(jī)；對(duì)方波電機(jī)，文中提出了一種新型的用變壓器電勢(shì)抵消激磁電勢(shì)而實(shí)現(xiàn)的等效弱磁控制方法，并作了理論分析與宴驗(yàn)驗(yàn)證。
1 引 言
無刷直流電機(jī)通常由逆變器、永磁同步電機(jī)本體、位置傳感器及控制器組成。工作時(shí)，控制器根據(jù)傳感器測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置有序地觸發(fā)逆變器的各個(gè)功率器件，以實(shí)現(xiàn)換流。方波無刷電機(jī)采用120o型三相逆變器驅(qū)動(dòng)；電樞繞組中的激磁電勢(shì)(即發(fā)電機(jī)電勢(shì))為梯形波，且其平頂近似為120o電角度。永磁體粘貼在轉(zhuǎn)子表面時(shí)，可以不計(jì)凸極效應(yīng)。在適當(dāng)?shù)目刂茥l件下，方波無刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，出力大，控制簡單，具有普通直流電機(jī)良好的調(diào)速特性，又無需機(jī)械式換向結(jié)構(gòu)，因此得到廣泛應(yīng)用。
但是，傳統(tǒng)的無刷電機(jī)都需要一套復(fù)雜的位置傳感器，這對(duì)電機(jī)的可靠性、制造工藝要求等帶來不利的影響，例如，①為安置傳感器而增大電機(jī)尺寸。②傳感器信號(hào)傳輸線太多，且易引入干擾。③高溫、低溫、污濁空氣等惡劣的工作條件會(huì)降低傳感器可靠性。④傳感器的安裝精度直接影響電機(jī)運(yùn)行性能�？梢�，省去無刷電機(jī)的傳感器能進(jìn)一步擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域與生產(chǎn)規(guī)模，具有很大的實(shí)際意義。
近年，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)無位置傳感器無刷直流電機(jī)作了不少研究，并取得了一定的成果。像日本hitachi公司將這種電機(jī)應(yīng)用于空調(diào)機(jī)中，不僅改善了運(yùn)行性能，還可起到較好的節(jié)能作用。目前國外文獻(xiàn)報(bào)道最多的方法之一是，將電機(jī)三相電壓、電流作坐標(biāo)變換，在派克方程的基礎(chǔ)上估算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。本文稱此方法為“轉(zhuǎn)子位置計(jì)算法”。這種方法雖然能實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)的無傳感器驅(qū)動(dòng)，但也存在缺點(diǎn)：①計(jì)算繁瑣，對(duì)微機(jī)要求高。②需準(zhǔn)確測(cè)量電機(jī)電流，故抗干擾能力弱。③需準(zhǔn)確預(yù)知電機(jī)參數(shù)，參數(shù)偏差影響系統(tǒng)性能。由于“轉(zhuǎn)子位置計(jì)算法”一般只將基波分量作為計(jì)算變量，因此主要用于繞組感應(yīng)電勢(shì)為正弦波的電機(jī)中，而對(duì)方波電機(jī)并不是很適用。
對(duì)于方波無刷電機(jī)，本文闡述了一種更適合的方法，是根據(jù)與轉(zhuǎn)子位置相對(duì)應(yīng)的繞組激磁電勢(shì)波形控制逆變器。激磁電勢(shì)從電機(jī)端電壓問接提取。端電壓經(jīng)過簡單的無源濾波器、電壓比較器及編碼器，就得到逆變器觸發(fā)信號(hào)。這種無傳感器驅(qū)動(dòng)方法(稱為“端電壓法”)，可有效地克服“轉(zhuǎn)子位置計(jì)算法”的缺點(diǎn)，并且，改變?yōu)V波器的相頻特性可以調(diào)節(jié)電機(jī)的超前觸發(fā)角，實(shí)現(xiàn)等效的弱磁控制。
2無傳感器控制
圖1是方波無刷直流電機(jī)的主回路。逆變器由自關(guān)斷功率器件g1～g6和續(xù)流二極管d1～d6構(gòu)成。電樞繞組y型連接，激磁電勢(shì)為120o梯形波。若忽略繞組電流的過渡過程，則逆變器每相輸出120o矩形波電流。合理控制逆變器的觸發(fā)時(shí)序，使得相電流和激磁電勢(shì)的相位一致，如圖2a所示，則電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o脈動(dòng)，且特性與普通直流電機(jī)類似。這就是方波無刷電機(jī)的“****換向邏輯”。根據(jù)三相對(duì)稱性，采用“****換向邏輯”時(shí)，逆變器各個(gè)功率器件的觸發(fā)時(shí)序如圖2b所示。在一個(gè)工作周期y內(nèi)，控制器只在t1、t2……t66個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻對(duì)逆變器操作。因此，對(duì)于方波電機(jī)，可以將三相激磁電勢(shì)波形看作是控制逆變時(shí)序的基本依據(jù)。由于激磁電勢(shì)波形與轉(zhuǎn)子位置對(duì)應(yīng)，“****換向邏輯”也可表述為：定子磁勢(shì)超前轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的位置角總保持在120o～60o之問，這樣，無刷電機(jī)的逆變器觸發(fā)信號(hào)取決于轉(zhuǎn)子的位置。所以，無論所述的“端電壓法”檢測(cè)激磁電勢(shì)波形，還是傳統(tǒng)的“傳感器法”或引言中提到的“計(jì)算法”測(cè)轉(zhuǎn)子位置，都只是提供逆變時(shí)序的殊途同歸的手段而已。
2．1原理
采用電壓型逆變器按“****換向邏輯”供電�？紤]繞組電感的影響和續(xù)流二極管的作用，電機(jī)相電流不再是矩形波，由此引起電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這時(shí)電機(jī)電壓平衡方程的矩陣表達(dá)式為：
u=pl·i+l·pi+e+r·i(1)
式中，等號(hào)右邊第一項(xiàng)是繞組電感變化引起的感應(yīng)電勢(shì)，當(dāng)不計(jì)電機(jī)凸極效應(yīng)時(shí)，其值為零；第二項(xiàng)是繞組電流變化引起的感應(yīng)電勢(shì)，即變壓器電勢(shì)；第三項(xiàng)是激磁電勢(shì)。激磁電勢(shì)是不能直接檢測(cè)的，但是在任意時(shí)刻逆變器總有一相的功率器件全部關(guān)斷，這時(shí)該相繞組的相電壓就是變壓器電勢(shì)與激磁電勢(shì)之和，并且激磁電勢(shì)的過零點(diǎn) |
