無刷直流電機控制及相序測定

1 引言

　　無刷直流電機采用電子換向裝置代替了傳統(tǒng)直流電機的機械換向裝置，又具有與直流電機類似的機械特性，其磁鋼置于轉(zhuǎn)子上，通過不斷地變換定子繞組通電方式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。由于轉(zhuǎn)子采用了永磁體結(jié)構(gòu)，無刷直流電機具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單的特點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電機的應(yīng)用越來越廣泛。快速有效地確定位置傳感器和繞組間的相序關(guān)系是實現(xiàn)無刷直流電機調(diào)速功能的關(guān)鍵。

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

　　2 無刷直流電機基本控制方法

　　無刷直流電機的轉(zhuǎn)子磁鋼呈瓦片形，磁極與定子繞組間氣隙均勻，氣隙磁場呈梯形分布。定子繞組感應(yīng)電動勢波形為梯形波。

　　無刷直流電機定子繞組通常采用三相星形接法，需要應(yīng)用三相全橋控制電路，其驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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　　由V1～V6六只功率管構(gòu)成的驅(qū)動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(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種控制方式。由于兩兩導(dǎo)通方式提供了更大的電磁轉(zhuǎn)矩而被廣泛采用。在兩兩導(dǎo)通方式下，每一瞬間有兩個功率管導(dǎo)通，每隔1／6周期即60°電角度換相一次，每只功率管持續(xù)導(dǎo)通 120°電角度，對應(yīng)每相繞組持續(xù)導(dǎo)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(zhuǎn)矩，通常需要使繞組合成磁場與轉(zhuǎn)子磁場保持垂直。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，使得該磁場與轉(zhuǎn)子磁場的位置保持在60°～120°相對垂直的范圍區(qū)間。

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

　　3 相序測定的實用方法

　　3.1 位置傳感器安裝方式

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

　　無刷直流電機常用的位置傳感器是霍爾傳感器，霍爾元件數(shù)通常與繞組相數(shù)相等，轉(zhuǎn)子磁鋼作為霍爾元件的勵磁磁場磁極。

　　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。
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　　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勢相位關(guān)系如圖3所示。

　　以位置傳感器的信號狀態(tài)區(qū)分，將無刷直流電機的運行狀態(tài)分割為6個狀態(tài)。各功率管導(dǎo)通區(qū)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(zhuǎn)過程中，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°安裝時的一個霍爾元件反轉(zhuǎn)180°安裝，各元件換相時刻均相同。在換相控制中，將三個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所示的第一個運行區(qū)間內(nèi)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(xiàn)000和111的狀態(tài)變量，而缺失中間的兩個狀態(tài)，因而他們的換相控制表是有區(qū)別的。通過觀察霍爾傳感器是否出現(xiàn)111 和000的狀態(tài)就可以判定霍爾傳感器是哪種安裝方式。
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　　3.2 相序測定方法

　　三相星形連接的無刷直流電機，其繞組等效模型如圖1所示。做如下假設(shè)，無刷電機三相完全對稱，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：
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　　其中uA，uB，uC為相電壓，e為各相繞組反電動勢，i為流過各相繞組的電流，uN為三相繞組中點電壓。L為三相繞組互感與自感的合成電感。

　　在無刷電機三相繞組均為開路的情況下，即iA=iB=iC=0，我們可以得到下面的結(jié)論。
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　　其中uBA和uCA為三相繞組的線電壓。從式(2)，式(3)中可以看到，在三相繞組開路的情況下，上面的兩個量可以用反電動勢表示。

　　對于反電動勢的相位關(guān)系，由圖3中做進一步的推導(dǎo)，可以得出如圖4所示的相位關(guān)系。依據(jù)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(jù)圖4同樣可以測定三相繞組間的關(guān)系。
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　　對于60°安裝的位置傳感器可以按照上面的方法得出類似的相位圖，用于測定相序。

　　4 實驗驗證

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

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

　　然后以銘uBA為參考相位，分別測量三個霍爾傳感器與uBA的相位關(guān)系，其中一個波形如圖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(yīng)，另兩個位置傳感器以同樣的方法確定。
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