無(wú)刷直流電機控制及相序測定

1 引言

　　無(wú)刷直流電機采 用電子換向裝置代替了傳統直流電機的機械換向裝置，又具有與直流電機類(lèi)似的機械特性，其磁鋼置于轉子上，通過(guò)不斷地變換定子繞組通電方式產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)驅動(dòng) 轉子轉動(dòng)。由于轉子采用了永磁體結構，無(wú)刷直流電機具有體積小、重量輕、結構簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，無(wú)刷直流電機的應用越來(lái)越廣泛?？焖儆?效地確定位置傳感器和繞組間的相序關(guān)系是實(shí)現無(wú)刷直流電機調速功能的關(guān)鍵。

　　本文通過(guò)對三相無(wú)刷直流電機傳感器位置、輸出信號與繞組電動(dòng)勢間的關(guān)系進(jìn)行分析，提出了一種測定其相序的有效方法。

　　2 無(wú)刷直流電機基本控制方法

　　無(wú)刷直流電機的轉子磁鋼呈瓦片形，磁極與定子繞組間氣隙均勻，氣隙磁場(chǎng)呈梯形分布。定子繞組感應電動(dòng)勢波形為梯形波。

　　無(wú)刷直流電機定子繞組通常采用三相星形接法，需要應用三相全橋控制電路，其驅動(dòng)控制系統結構如圖1所示。

　　由V1～V6六只功率管構成的驅動(dòng)全橋可以控制繞組的通電狀態(tài)。按照功率管的通電方式，可以分為兩兩導通和三三導通兩種控制方式。由于兩兩導通方式提 供了更大的電磁轉矩而被廣泛采用。在兩兩導通方式下，每一瞬間有兩個(gè)功率管導通，每隔1／6周期即60°電角度換相一次，每只功率管持續導通 120°電角度，對應每相繞組持續導通120°，在此期間相電流方向保持不變。為保證產(chǎn)生最大的電磁轉矩，通常需要使繞組合成磁場(chǎng)與轉子 磁場(chǎng)保持垂直。由于采用換相控制方式，其定子繞組產(chǎn)生的是跳變的磁場(chǎng)，使得該磁場(chǎng)與轉子磁場(chǎng)的位置保持在60°～120°相對垂直的范圍 區間。

　　功率管的換相信號需要從位置傳感器的狀態(tài)得出，換相時(shí)刻也就是霍爾傳感器的信號狀態(tài)改變的時(shí)刻。因此霍爾傳感器和三相繞組對應關(guān)系的確定對于電機的正確運行非常重要。

　　3 相序測定的實(shí)用方法

　　3.1 位置傳感器安裝方式

　　位置傳感器在無(wú)刷直流電機控制系統中起著(zhù)非常重要的作用。它用于檢測轉子磁極的位置，為開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息。

　　無(wú)刷直流電機常用的位置傳感器是霍爾傳感器，霍爾元件數通常與繞組相數相等，轉子磁鋼作為霍爾元件的勵磁磁場(chǎng)磁極。

　　為了產(chǎn)生正確的換向信號，霍爾傳感器安裝位置有一定要求，通常有120°安裝和60°安裝兩種方式，如圖2所示。

　　以霍爾傳感器安裝方式為120°為例，位置傳感器輸出波形、電機定子繞組通電電流和反電動(dòng)勢相位關(guān)系如圖3所示。

　　以位置傳感器的信號狀態(tài)區分，將無(wú)刷直流電機的運行狀態(tài)分割為6個(gè)狀態(tài)。各功率管導通區間如圖3所示。

　　兩種位置傳感器安裝方式在本質(zhì)上是相同的，在電機旋轉過(guò)程中，都將360°電角度分割為6種狀態(tài)，其中60°安裝方式可以認為是將 120°安裝時(shí)的一個(gè)霍爾元件反轉180°安裝，各元件換相時(shí)刻均相同。在換相控制中，將三個(gè)霍爾傳感器的輸出信號狀態(tài)的組合作為狀態(tài)控 制變量，例如在圖3所示的第一個(gè)運行區間內狀態(tài)控制變量為H1 H2 H3(101)。在不同安裝方式下各霍爾元件產(chǎn)生不一樣的狀態(tài)控制變量。在120°安裝下，3個(gè)位置傳感器信號組成的控制變量為001-110。 60°安裝狀況下，將出現000和111的狀態(tài)變量，而缺失中間的兩個(gè)狀態(tài)，因而他們的換相控制表是有區別的。通過(guò)觀(guān)察霍爾傳感器是否出現111 和000的狀態(tài)就可以判定霍爾傳感器是哪種安裝方式。

　　3.2 相序測定方法

　　三相星形連接的無(wú)刷直流電機，其繞組等效模型如圖1所示。做如下假設，無(wú)刷電機三相完全對稱(chēng)，磁路不飽和，不計磁滯和渦流損耗。三相繞組的電壓平衡方程則如式(1)所示：

　　其中uA，uB，uC為相電壓，e為各相繞組反電動(dòng)勢，i為流過(guò)各相繞組的電流，uN為三相繞組中點(diǎn)電壓。L為三相繞組互感與自感的合成電感。

　　在無(wú)刷電機三相繞組均為開(kāi)路的情況下，即iA=iB=iC=0，我們可以得到下面的結論。

　　其中uBA和uCA為三相繞組的線(xiàn)電壓。從式(2)，式(3)中可以看到，在三相繞組開(kāi)路的情況下，上面的兩個(gè)量可以用反電動(dòng)勢表示。

　　對于反電動(dòng)勢的相位關(guān)系，由圖3中做進(jìn)一步的推導，可以得出如圖4所示的相位關(guān)系。依據這一相位圖，可以清楚地分辨出各位置傳感器與各相繞組間的相位關(guān)系，三相繞組間的電位關(guān)系也可以判定，根據圖4同樣可以測定三相繞組間的關(guān)系。

　　對于60°安裝的位置傳感器可以按照上面的方法得出類(lèi)似的相位圖，用于測定相序。

　　4 實(shí)驗驗證

　　使用一臺無(wú)刷直流電機來(lái)驗證前文提出的方法。實(shí)驗電機型號為：57BL-3030H1-LS-B。額定轉速為3 000 rpm，極對數為5，采用開(kāi)關(guān)霍爾傳感器作為位置傳感器，位置傳感器為120°安裝方式。

　　在實(shí)驗中，首先確定任一繞組作為A相參考繞組，轉動(dòng)電機，用示波器測量另外兩相與A相間線(xiàn)電壓的相位關(guān)系，得到的線(xiàn)電壓波形如圖5所示。對比圖4，兩個(gè)線(xiàn)電壓波形的相位領(lǐng)先的則為uBA，據此可以快速確定B相和C相。

　　然后以銘uBA為參考相位，分別測量三個(gè)霍爾傳感器與uBA的相位關(guān)系，其中一個(gè)波形如圖6所示。對比圖4，可以確定此位置傳感器為A相繞組所對應，另兩個(gè)位置傳感器以同樣的方法確定。

　　5 結語(yǔ)

　　本文提出僅通過(guò)對電機進(jìn)行簡(jiǎn)單測量即可快速有效確定無(wú)刷直流電機相序的測定方法，實(shí)驗驗證了該方法是有效的。