無位置傳感器無刷直流電機(jī)的換相方式研究

　　引言

　　永磁無刷直流電機(jī)由于其無換向火花、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無勵(lì)磁損耗等眾多優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)50年代出現(xiàn)以來，就在很多場(chǎng)合得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的永磁無刷直流電機(jī)均需一個(gè)附加的位置傳感器，用以向逆變橋提供必要的換向信號(hào)。它的存在給直流無刷電機(jī)的應(yīng)用帶來很多不便：首先，位置傳感器會(huì)增加電機(jī)的體積和成本;其次，連線眾多的位置傳感器會(huì)降低電機(jī)運(yùn)行的可靠性，即便是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區(qū);再次，在某些惡劣的工作環(huán)境中，如在密封的空調(diào)壓縮機(jī)中，由于制冷劑的強(qiáng)腐蝕性，常規(guī)的位置傳感器根本就無法使用;此外，傳感器的安裝精度還會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行性能，增加生產(chǎn)的工藝難度。針對(duì)位置傳感器所帶來的種種不利影響，近一二十年來，永磁無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制一直是國內(nèi)外較為熱門的研究課題[2]。從20世紀(jì)70年代末開始，截至目前為止，永磁無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制已大致經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段，針對(duì)不同的電機(jī)性能和應(yīng)用場(chǎng)合出現(xiàn)了不同的控制理論和實(shí)現(xiàn)方法，如反電勢(shì)法、續(xù)流二極管法、電感法等。

　　所謂的無位置傳感器控制，正確的理解應(yīng)該是無機(jī)械的位置傳感器控制，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，作為逆變橋功率器件換向?qū)〞r(shí)序的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)仍然是需要的，只不過這種信號(hào)不再由位置傳感器來提供，而應(yīng)該由新的位置信號(hào)檢測(cè)措施來代替，即以提高電路和控制的復(fù)雜性來降低電機(jī)的復(fù)雜性。所以，目前永磁無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制研究的核心和關(guān)鍵就是架構(gòu)一轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)線路，從軟硬件兩個(gè)方面來間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，借以觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的功率器件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　1傳統(tǒng)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方法

　　無刷直流電機(jī)中,受定子繞組產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)的作用,轉(zhuǎn)子沿著一定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)定子上放有電樞繞組,因此,轉(zhuǎn)子一旦旋轉(zhuǎn)就會(huì)在空間形成導(dǎo)體切割磁力線的情況。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知,導(dǎo)體切割磁力線會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電熱。所以,在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的時(shí)候就會(huì)在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),即運(yùn)動(dòng)電勢(shì),一般稱為反電圖1動(dòng)勢(shì)或反電勢(shì)[3]。

　　1.1傳統(tǒng)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)的原理

　　具有梯形反電動(dòng)勢(shì)波形的三相無刷直流電機(jī)主電路,對(duì)于某一相繞組(假設(shè)A相),其導(dǎo)通時(shí)刻的基本電路原理圖如圖1所示[4]。

　　圖1

　　1.2反電動(dòng)勢(shì)的推導(dǎo)

　　無刷直流電機(jī)的三相端電壓方程:

　　由于采用兩相導(dǎo)通三相六拍運(yùn)行方式,任一瞬間只有兩相導(dǎo)通,設(shè)A相、B相導(dǎo)通,且A+,B-,則A、B兩相電流大小相等,方向相反,C相電流為零。

　　由于Ia=-Ib,Ic=0,得:

　　式(5)即為C相反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方程。

　　同理,A和B相反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方程為:

　　但是實(shí)際上,繞組的反電動(dòng)勢(shì)難以直接測(cè)取,因此,通常的做法是檢測(cè)電機(jī)端電壓信號(hào),進(jìn)行比較來間接獲取繞組反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的過零點(diǎn),從而確定轉(zhuǎn)子的位置,故這種方法又稱為“端電壓法”[5]。

　　基于端電壓的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路如圖2所示,將端電壓Ua、Ub、Uc分壓后,經(jīng)過濾波得到檢測(cè)信號(hào)Ua、Ub、Uc,檢測(cè)電路的O點(diǎn)與電源負(fù)極相連,因此式(5)～(7)轉(zhuǎn)化為:

　　圖2

　　根據(jù)上述結(jié)論，檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)后,再延遲30°即為無刷直流電動(dòng)機(jī)的換相點(diǎn)。但實(shí)際的位置檢測(cè)信號(hào)是經(jīng)過阻容濾波后得到的,其零點(diǎn)必然會(huì)產(chǎn)生相位偏移,實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行相位補(bǔ)償。

　　2新型檢測(cè)方式的提出

　　針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提出一種電路簡(jiǎn)單、成本低、恒零相移濾波，無需構(gòu)建虛擬中性點(diǎn)，無需速度估測(cè)器和相移校正，在整個(gè)高轉(zhuǎn)速比的范圍內(nèi)都能保持輸出準(zhǔn)確換相信號(hào)。該換相信號(hào)與霍爾傳感器輸出的換相信號(hào)完全一致，無需高速控制IC，可以直接使用與霍爾傳感器相配套的低價(jià)控制IC。

　　2.1電路構(gòu)成

　　本設(shè)計(jì)采用方案包括3個(gè)分壓電路、3個(gè)恒零相移濾波電路和3個(gè)線電壓比較器，如圖3所示。其特征在于3個(gè)分壓電路分別由兩個(gè)電阻R1、R2串聯(lián)，其R1的一端作為輸入端分別無刷直流電機(jī)的三相電機(jī)線連接，R2接地，R1、R2的連接點(diǎn)作為輸出端，分別與相應(yīng)線電壓比較器的正確輸入端連接;3個(gè)恒相移濾波電路分別由兩個(gè)電阻R3、R4，兩個(gè)電容C1、C2和一個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成。電容C1并連接于分壓電路R2。電容C2的一端與運(yùn)放的正輸入端連接并與電容C1的一端連接，另一端與運(yùn)放的負(fù)輸入端連接。電阻R4的一端與運(yùn)放的負(fù)輸入端連接，另一端接地。3個(gè)線電壓比較器的正輸入端分別與相應(yīng)分壓電路的輸出端連接，而負(fù)輸入端分別與相鄰分壓電路的輸出端連接。各線電壓比較器的輸出分別作為電機(jī)的換相信號(hào)。

　　圖3

　　2.2電路分析

　　本設(shè)計(jì)與以往技術(shù)相比，由于采用了不隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的恒零相移濾波電路，無需相移校正，而送到比較器正負(fù)端的電壓是兩路沒有相移的端電壓，無需構(gòu)建虛擬中性點(diǎn)。比較器檢測(cè)到的是線電壓的過零點(diǎn)，這個(gè)過零點(diǎn)正好對(duì)應(yīng)電機(jī)的換向點(diǎn)，因此，輸出的換相信號(hào)與霍爾傳感器輸出的換相信號(hào)完全一致。在無刷直流電機(jī)高轉(zhuǎn)速比的范圍內(nèi)，無需高速控制IC，可以直接使用與霍爾傳感器相配套的低價(jià)控制IC，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可以替代霍爾傳感器廣泛應(yīng)用在家電、計(jì)算機(jī)外設(shè)和電動(dòng)車用等無刷直流電機(jī)上。

　　電機(jī)三相端電壓Va、Vb、Vc經(jīng)3個(gè)分壓電路和恒零相移濾波電路后，得到幅值減小的平滑端電壓Vao、Vbo、Vco，濾波前后每一相端電壓的相移角度為：

　　式中ω為電機(jī)運(yùn)行的角速度。

　　只要設(shè)計(jì)C1=R3R4C4，就可以使得濾波前后的相移角度恒為零，確保端電壓的過零點(diǎn)濾波前后不會(huì)跟隨電機(jī)速度的變化而移動(dòng)，無需相移校正。圖3相鄰兩相的恒零相移端電壓送到比較器后，比較器比較的是兩相端電壓，實(shí)質(zhì)上就是檢測(cè)線電壓的過零點(diǎn)。這個(gè)過零點(diǎn)正好對(duì)應(yīng)電機(jī)的換相點(diǎn)，因此，比較器輸出的換相信號(hào)與霍爾傳感器輸出的換相信號(hào)完全一致。

　　2.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　Va、Vb、Vc、 Vao、Vbo、Vco及各換相信號(hào)的波形圖略——編者注。

　　結(jié)語

　　本文利用無刷直流電機(jī)端電壓設(shè)計(jì)的換相控制電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，此電路輸出的換相信號(hào)與霍爾傳感器輸出的換相信號(hào)完全一致，從而在一定程度上可以替代霍爾傳感器，并可應(yīng)用于較高溫、高壓、高輻射等傳感器無法勝任的場(chǎng)合。不過由于器件自身的局限性，在一些更加惡劣場(chǎng)合的應(yīng)用還有待測(cè)試和改善。