無位置傳感器無刷直流電機啟動系統(tǒng)研究

王哲　閆學文　梁亮

摘 要：無位置傳感器無刷直流電機具有啟動時間長，傳統(tǒng)的電機啟動方法容易使得電機失步，帶負載啟動能力弱等特點。根據(jù)無刷直流電機定子鐵心的飽和效應，這里采用三段式中的初始位置預定位法進行轉(zhuǎn)子預定位和兩步短時脈沖法進行轉(zhuǎn)子加速。該方法能夠快速得到轉(zhuǎn)子的位置，并且在不失步的情況下得到初步速度，建立較低的反電動勢，進而切換至反電動勢控制方式運行。

關鍵詞：無刷直流電機；轉(zhuǎn)子預定位；兩步短時脈沖定位加速法

中圖分類號：TM332 文獻標識碼：A

1 前 言

無刷直流電機因其調(diào)速特性好、無換向火花、效率高、壽命長、運行可靠、維護簡便等優(yōu)點得到了廣泛的應用[1]。無刷直流電機的類型很多，從有無位置傳感器可以分為無位置傳感器的無刷直流電機和有位置傳感器的無刷直流電機。有位置傳感器的無刷直流電機在其啟動時無需特殊注意。但是因為無位置傳感器的無刷直流電機在體積和生產(chǎn)成本上與有位置傳感器的無刷直流電機有著無可比擬的優(yōu)勢，所以無位置無刷直流電機在生產(chǎn)和生活中的應用越來越得到人們的重視，而其如何啟動也就順理成章的成為了人們的研究對象[2]。

在對于無位置傳感器無刷直流電機常用的啟動方法包括三段式啟動法，升頻升壓同步啟動法。其中三段式啟動法簡單，但是實驗調(diào)試特別的復雜，要依靠大量的經(jīng)驗施加電壓矢量，而且還容易受到負載條件的影響，很容易使得啟動失敗，甚至發(fā)生倒轉(zhuǎn)，存在嚴重的安全隱患[3]。升頻升壓發(fā)啟動比較可靠，但是沒有嚴格的換向信號作為指導，雖然可以攜帶一定的負載進行啟動，但是附加的啟動電路增加了電機的尺寸，降低了系統(tǒng)的可靠性，也不是這類電機啟動的最佳選擇[4]。

本文提出了一種基于結合傳統(tǒng)三段式法的轉(zhuǎn)子預定位法和兩步短時脈沖加速法，兩步即可使得電機順利啟動，最后根據(jù)反電動勢建立完整的控制系統(tǒng)，整個過程簡單易行，大大降低了電機啟動失敗的概率。

2 短時脈動法的理論基礎

本文所研究的無刷直流電機的結構如圖1所示，無刷直流電機電機的轉(zhuǎn)子位于整個電機的中心，是由永磁體組成的，而定子則是由纏繞于鐵心的線圈而成，結構如圖所示。

轉(zhuǎn)子即永磁體有N和S不同的極性，而在外部纏繞在鐵芯上的線圈在外部電路的控制作用下產(chǎn)生不同的磁場，兩個磁場相互作用，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動[5]。

計算技術與自動化2016年6月

第35卷第2期王 哲等：無位置傳感器無刷直流電機啟動系統(tǒng)研究

這里線圈纏繞在鐵心上形成定子，當外加磁場作用于線圈時，電感L的值會隨著磁場的大小和方向的變化不斷的變化。當線圈中通過的電流和轉(zhuǎn)子的磁場保持一致時，電感L減小，當處于垂直狀態(tài)時，電感L的值最大[6]，如圖2所示。電壓電流和電感的關系如式2，這就是短脈沖檢測的原理。

無刷直流電機的通電線圈處于電機的外側(cè)，即電機的定子，電流通過線圈，線圈存在電感，而作為電機的轉(zhuǎn)子的永磁體對于線圈的電感有著增磁和去磁作用，永磁體（即轉(zhuǎn)子）的N極靠近線圈時，線圈的電感值減小，所以當線圈中存在電流并且轉(zhuǎn)子的N極靠近線圈時，電流會因為線圈電感值的減小而增大。

圖3電機的控制原理圖，經(jīng)過簡化以后可以得到下圖所示：

這樣我們能夠根據(jù)電路中電流的大小判斷出轉(zhuǎn)子的位置，也能夠根據(jù)電流的大小得到換向點。

3 轉(zhuǎn)子定位及加速

3.1 轉(zhuǎn)子預定位法

對于無傳感器的無刷直流電機而言，在電機啟動之前，轉(zhuǎn)子的初始位置是隨即的，也就是未知的，所以得到轉(zhuǎn)子的確切的初始位置對于這類無傳感器無刷直流電機的啟動是至關重要的。為了簡單而準確的定位到轉(zhuǎn)子的初始位置，這里我們采用轉(zhuǎn)子預定位的方法是借鑒三段式啟動法的轉(zhuǎn)子預定位法，在電機通電伊始，給電機的任意兩項通電一段時間，使定子能夠產(chǎn)生一個固定的磁場，如下圖a所示。

在磁場力F的作用下，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到如圖a的位置，但是若電機初始位置正好與F相差180度，如b，這時在理論上產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為零，所以要進行電機的第二次定位，也就是按電機的旋轉(zhuǎn)方向?qū)ㄏ乱淮卫@組電流，使其產(chǎn)生與原來F相差90度的F方向的磁場力，這樣，不論轉(zhuǎn)子的初始位置是在a的位置上還是在b所指的位置上，轉(zhuǎn)子都將轉(zhuǎn)動到F所指的位置[7]。

其實，在實際實驗中，我們發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子大部分時候是不需要二次定位的。但是我們這里為了防止意外情況的出現(xiàn)，還是采用了更為保守的二次定位。這樣誰稍稍延長預定位的時間，但是杜絕了意外的發(fā)生。

等到電機的轉(zhuǎn)子到達指定位置后，將在指定位置處左右擺動，處在一個不穩(wěn)定的狀態(tài)，最后在摩擦力和磁滯渦流的作用下停止。很多時候為了讓轉(zhuǎn)子有足夠的時間反應調(diào)整位置，所以我們要對電機的通電時間稍微長一點[8]，但是電壓不要過大，因為在這個階段，我們通常不使用PWM來調(diào)節(jié)電壓。

3.2 轉(zhuǎn)子加速

電機的加速過程采用的導通方式為二二導通方式。如下圖所示，經(jīng)過轉(zhuǎn)子預定位，轉(zhuǎn)子到達指定的位置，給電機的繞組依次通電，就可以保證電機轉(zhuǎn)動。但是如何找到電機的換向點，是加速過程的一個關鍵，過早和過完的換向都會引起電機的失步，嚴重的可能會導致電機啟動失敗，造成重大的事故。這里我們采用短脈沖加速法，通過比較電流閾值檢測換向點，該方法簡單易行，準確度高，且不需要知道電機的準確參數(shù)就能夠保證電機的正常啟動。

根據(jù)短脈沖理論，我們可以大致描繪出其脈沖的波形圖，進而得到電流波形，大致如下圖所示。

在PWM的低電平期間，給出相應的檢測脈沖矢量，在短脈沖結束時檢測母線電流的大小，根據(jù)兩次電流值的大小可以確定是否為換向點。通過電機運行電壓矢量圖可以得到理論上的換向值，當兩次取得的電流值大小相等時為最佳換向點。

短脈沖加速法采取的是給一個短時間的短脈沖，這個短脈沖的持續(xù)時間既不可過長，因為時間過長會引起電機的轉(zhuǎn)動，亦不宜過短，因為如果短脈沖的時間過短，不容易檢測到電流值，很可能會發(fā)生檢測到的電流值大小相等的情況，使得控制器誤以為到了換相時間進行錯誤的換相。這個短脈沖的持續(xù)時間建議值為當前電路的時間常數(shù)，但是經(jīng)實驗證明，取值為等效時間常數(shù)的短脈沖電壓引起電機轉(zhuǎn)動時，應當稍微減小脈沖持續(xù)的時間以保證轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動。

下面我們以初定位的位置在V1為例，進行分析說明，短脈沖加速法是如何進行重復檢測-加速運行的。

若轉(zhuǎn)子經(jīng)過預定位后的位置為V1，為了取得最大的轉(zhuǎn)矩，所以取呈現(xiàn)90度導通，所以導通的電壓矢量應為V32，轉(zhuǎn)子進入I和II區(qū)，而此時的檢測電壓矢量應為V1和V3，相應的檢測到電流為I1和I3，這時I1>I3，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到V2的位置時，I1=I3，這時就到達了換向點，可以進行換向操作到V34。但在實際定位加速過程中，加速脈沖過寬可能會淹沒最佳換相時刻，造成換相失敗，在實際操作中，我們也發(fā)現(xiàn)了這一點，每次都很難能檢測到最佳換相時刻。為了加速的穩(wěn)定性，把換相條件設定為I3≥I1，即最佳或滯后換相，這提高了短脈沖加速法的負載適應性，防止檢測失誤錯過換向時間。轉(zhuǎn)子繼續(xù)在V34的作用下轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子處在III和IV區(qū)，這時檢測電壓矢量為V2和V4，相應的檢測電流為I2和I4，當轉(zhuǎn)子位于III和IV區(qū)時，I2>I4，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到V3的位置時，I2=I4，相應的，我們也取當I4≥I2時換向到V54，轉(zhuǎn)子進入V和VI象限，依照上述的方法，這樣在不同電壓矢量的作用下，轉(zhuǎn)子加速到指定的速度。下表給出了短時間脈沖檢測電壓矢量及換相條件如表：

對照著上表電機進行重復檢測-加速運行，加速結束時，電機已經(jīng)具備較低的轉(zhuǎn)速與反電動勢，這是可以根據(jù)轉(zhuǎn)子的當前位置切換到反電動勢運行。

圖8即母線檢測到的電流波形圖將電流波形局部放大如圖9可以看到矢量控制產(chǎn)生的電流和短脈沖產(chǎn)生的電流，通過比較檢測脈沖的大小可以得知換向點。

在這里我們首先僅僅使用本文介紹的啟動方式對電機進行啟動，為了表現(xiàn)明顯，我們這里單獨使用短脈沖對電機的控制，為的是展示此方法的可行性。因為在實際控制中，啟動的過程很短暫，不容易觀察到，所以這里我們暫時不切換到反電動勢進行控制。

下圖為速度波形，可以觀察到有電機初定位到切換到短脈沖加速時的位置，因為短脈沖加速會產(chǎn)生震蕩，所以單獨用這種方法進行電機的控制會速度會產(chǎn)生震蕩，這也正是短脈沖加速的局限性所在。

4 實驗

這里我們采用的是南京研旭電氣生產(chǎn)的57BL52-230，其性能穩(wěn)定，額定電壓為24V，線電阻0.6歐，線電感為0.75Mh。

這里采用基于相電壓的反電動勢檢測電路，為了避免復雜的運算，我們將得到的反電動勢延遲90-a。

圖11 控制電路

其得到的速度波形圖如下圖所示，因為轉(zhuǎn)子定位和加速至可以檢測到反電動勢的過程非常短暫，這里很快就使得轉(zhuǎn)子進入了指定的速度。

5 實驗結果分析及說明

經(jīng)過理論和實驗的分析，我們可以看出，轉(zhuǎn)子的二次定位可以方便快捷的得到轉(zhuǎn)子的初始位置，而短脈沖加速過程，可以得到使得轉(zhuǎn)子在不失步的情況下使得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速到達可以檢測到反電動勢的速度，從理論和實驗兩方面證明了，采用短脈沖加速技術大大降低了轉(zhuǎn)子的失步的概率，減少了事故的發(fā)生。

該方法不僅適用于方波的無刷直流電機 ， 還適用于正弦波的無刷直流電機，即永磁同步電機，并且不必要知道這些電機確切參數(shù)。只需要大致的計算檢測脈沖所持續(xù)的時間再進行調(diào)節(jié)即可。

參考文獻

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