方波無刷直流電動機無傳感器控制與弱磁控制
呂曉春 沈建新 杜軍紅 陳永校(浙江大學杭州310027)
【摘 要】針對方波無刷直流電動機，討論根據(jù)激磁電勢波形確定電機換向時序的“端電壓法”無傳感器控制方法，并詳細闡述其特殊的起動過程和雙向運行技術(shù)。通常弱磁控制適用于正弦電機；對方波電機，文中提出了一種新型的用變壓器電勢抵消激磁電勢而實現(xiàn)的等效弱磁控制方法，并作了理論分析與宴驗驗證。
1 引 言
無刷直流電機通常由逆變器、永磁同步電機本體、位置傳感器及控制器組成。工作時，控制器根據(jù)傳感器測得的電機轉(zhuǎn)子位置有序地觸發(fā)逆變器的各個功率器件，以實現(xiàn)換流。方波無刷電機采用120o型三相逆變器驅(qū)動；電樞繞組中的激磁電勢(即發(fā)電機電勢)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，可以不計凸極效應(yīng)。在適當?shù)目刂茥l件下，方波無刷電機轉(zhuǎn)矩脈動小，出力大，控制簡單，具有普通直流電機良好的調(diào)速特性，又無需機械式換向結(jié)構(gòu)，因此得到廣泛應(yīng)用。
但是，傳統(tǒng)的無刷電機都需要一套復雜的位置傳感器，這對電機的可靠性、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尺寸。②傳感器信號傳輸線太多，且易引入干擾。③高溫、低溫、污濁空氣等惡劣的工作條件會降低傳感器可靠性。④傳感器的安裝精度直接影響電機運行性能。可見，省去無刷電機的傳感器能進一步擴展其應(yīng)用領(lǐng)域與生產(chǎn)規(guī)模，具有很大的實際意義。
近年，國內(nèi)外學者已對無位置傳感器無刷直流電機作了不少研究，并取得了一定的成果。像日本hitachi公司將這種電機應(yīng)用于空調(diào)機中，不僅改善了運行性能，還可起到較好的節(jié)能作用。目前國外文獻報道最多的方法之一是，將電機三相電壓、電流作坐標變換，在派克方程的基礎(chǔ)上估算出電機轉(zhuǎn)子的位置。本文稱此方法為“轉(zhuǎn)子位置計算法”。這種方法雖然能實現(xiàn)無刷電機的無傳感器驅(qū)動，但也存在缺點：①計算繁瑣，對微機要求高。②需準確測量電機電流，故抗干擾能力弱。③需準確預(yù)知電機參數(shù)，參數(shù)偏差影響系統(tǒng)性能。由于“轉(zhuǎn)子位置計算法”一般只將基波分量作為計算變量，因此主要用于繞組感應(yīng)電勢為正弦波的電機中，而對方波電機并不是很適用。
對于方波無刷電機，本文闡述了一種更適合的方法，是根據(jù)與轉(zhuǎn)子位置相對應(yīng)的繞組激磁電勢波形控制逆變器。激磁電勢從電機端電壓問接提取。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。這種無傳感器驅(qū)動方法(稱為“端電壓法”)，可有效地克服“轉(zhuǎn)子位置計算法”的缺點，并且，改變?yōu)V波器的相頻特性可以調(diào)節(jié)電機的超前觸發(fā)角，實現(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)時序，使得相電流和激磁電勢的相位一致，如圖2a所示，則電機電磁轉(zhuǎn)矩無脈動，且特性與普通直流電機類似。這就是方波無刷電機的“****換向邏輯”。根據(jù)三相對稱性，采用“****換向邏輯”時，逆變器各個功率器件的觸發(fā)時序如圖2b所示。在一個工作周期y內(nèi)，控制器只在t1、t2……t66個關(guān)鍵時刻對逆變器操作。因此，對于方波電機，可以將三相激磁電勢波形看作是控制逆變時序的基本依據(jù)。由于激磁電勢波形與轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)，“****換向邏輯”也可表述為：定子磁勢超前轉(zhuǎn)子磁勢的位置角總保持在120o～60o之問，這樣，無刷電機的逆變器觸發(fā)信號取決于轉(zhuǎn)子的位置。所以，無論所述的“端電壓法”檢測激磁電勢波形，還是傳統(tǒng)的“傳感器法”或引言中提到的“計算法”測轉(zhuǎn)子位置，都只是提供逆變時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。考慮繞組電感的影響和續(xù)流二極管的作用，電機相電流不再是矩形波，由此引起電磁轉(zhuǎn)矩脈動。這時電機電壓平衡方程的矩陣表達式為：
u=pl·i+l·pi+e+r·i(1)
式中，等號右邊第一項是繞組電感變化引起的感應(yīng)電勢，當不計電機凸極效應(yīng)時，其值為零；第二項是繞組電流變化引起的感應(yīng)電勢，即變壓器電勢；第三項是激磁電勢。激磁電勢是不能直接檢測的，但是在任意時刻逆變器總有一相的功率器件全部關(guān)斷，這時該相繞組的相電壓就是變壓器電勢與激磁電勢之和，并且激磁電勢的過零點 |
