黃先偉 祝大芬 張矛盾 何薇薇

（1.廣州市百福電氣設(shè)備有限公司，廣州 510370；2.佛山市和融數(shù)控軟件有限公司，佛山 528061； 3.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中山 528437）

1 技術(shù)背景

隨著生產(chǎn)需求的不斷增加，人們對電機(jī)的運(yùn)行效率提出了更高的要求。在此條件下，直流有刷電機(jī)的弊端突出。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，直流無刷電機(jī)能夠通過電子開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)電刷的功能，以此有效實(shí)現(xiàn)換相的穩(wěn)定性，避免火花問題[1-3]。在高密度的能量堆積作用下，其直流調(diào)速范圍和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也明顯高于有刷電機(jī)，因此在其使用過程中需要良好的控制方法[4]。文獻(xiàn)[5]提出一種以冪次趨近律滑模觀測器為基礎(chǔ)的控制方法，具有良好的控制效果，但對硬件的要求較高，對于小成本企業(yè)而言適用性較差。文獻(xiàn)[6]將端電壓平均值與準(zhǔn)滑模觀測器的觀測結(jié)果相結(jié)合，確定了轉(zhuǎn)子位置，其相位差具有較高的穩(wěn)定性，但波形的畸變程度較高。因此，提高對直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制的研究十分必要?；诖?，本文提出直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制方法。

2 建立直流無刷電機(jī)模型

與傳統(tǒng)的控制方法相比，無位置傳感器控制方法需要以開環(huán)控制的方式運(yùn)行。因此，為了確保準(zhǔn)確判斷電機(jī)內(nèi)運(yùn)行的狀態(tài)，本文首先建立了直流無刷電機(jī)模型。由于電機(jī)內(nèi)繞組、反電勢以及轉(zhuǎn)子的位置以60°等距存在，則在電機(jī)的一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周內(nèi)，理想的換相位置也要以均勻分布的形式存在。假設(shè)繞組、反電勢、轉(zhuǎn)子對應(yīng)的位置分別為x、x+60、x+120，則換相的理想位置可以表示為：

式中：p表示換相的理想位置；n表示換相位置的個(gè)數(shù)。一般情況下，當(dāng)n＞6時(shí)，得到的位置信息與之前的計(jì)算結(jié)果重疊，取n值為6。

此時(shí)，電機(jī)的無位置傳感運(yùn)行是在這6個(gè)位置上進(jìn)行的。由于電機(jī)反電勢信號的傳遞以電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期為基礎(chǔ)，當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過反電勢信號位置時(shí)，會(huì)根據(jù)信號對轉(zhuǎn)速作出調(diào)整，并帶動(dòng)繞組功率產(chǎn)生相應(yīng)變化，此時(shí)反電勢信號的能量值E、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ω、電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期T以及繞組的功率P之間的關(guān)系為：

式中：D表示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；t表示運(yùn)行時(shí)刻。

3 直流無刷電機(jī)的無位置傳感器控制

3.1 提取換相信號

在信號提取過程中，主要的干擾來自電機(jī)母線電壓中的雜波。因此，本文以單位周期內(nèi)電機(jī)的理想反電勢值的變化情況作為依據(jù)，判斷雜波的作用強(qiáng)度。當(dāng)反電勢的位置為初始位置x時(shí)，能夠表征的換相位置是以x位置為中心的x+30°以及x-30°，它們與4個(gè)換相位置皆以隱藏狀態(tài)存在。本文將初始位置x處的反電勢值作為理想反電勢，通過其對應(yīng)的換相位置信息變動(dòng)情況，間接計(jì)算第i個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)的理想反電勢變化并進(jìn)行測量，得到結(jié)果精確度較低。假設(shè)i周期下的換相位置分別為p1,p2,…,pi，對應(yīng)位置信息變化分別為p-p1,p-p2,p-pi，則初始位置x的延時(shí)相角可以表示為：

式中：θ表示雜波干擾下反電勢傳遞的延時(shí)相角。通過直流無刷電機(jī)模型對該延時(shí)相角對電機(jī)狀態(tài)產(chǎn)生的影響進(jìn)行計(jì)算，可以得到：

得到其干擾強(qiáng)度后，提取到電機(jī)內(nèi)實(shí)際的換相信號f為：

3.2 換相控制

得到準(zhǔn)確的換相信號后，即可根據(jù)信號內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的換相控制。本文利用轉(zhuǎn)子的運(yùn)行位置實(shí)施無位置傳感器控制技術(shù)。實(shí)施時(shí)要先將電機(jī)啟動(dòng)，并將提取到的換相信號輸入到電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行控制中心，在信號作用下轉(zhuǎn)子的角速度會(huì)呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化。此時(shí)，可以根據(jù)最終轉(zhuǎn)子的角速度值計(jì)算電機(jī)內(nèi)其他部件的參數(shù)，其步驟如下：

（1）將轉(zhuǎn)子的角速度帶入到其與反電勢的計(jì)算關(guān)系中得到新的反電勢值，通過計(jì)算指出與原反電勢的差異；

（2）利用反電勢的變化分析繞組的功率與換相位置功率的比值，并將該比值作為換相操作的調(diào)整依據(jù)，對理想換相位置信息進(jìn)行更新；

（3）更新后的理想換相位置會(huì)對轉(zhuǎn)子的運(yùn)行產(chǎn)生延時(shí)影響，此時(shí)要將延時(shí)均勻分散到各個(gè)換相位置，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)換相的有效控制。

4 應(yīng)用測試

為測試本文提出方法的應(yīng)用效果，對其進(jìn)行了試驗(yàn)測試，并將文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]提出的方法作為對照，通過分析3種方法的控制效果，分析本文方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4.1 測試對象介紹

實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該電機(jī)運(yùn)行時(shí)直流母線電壓的電壓值為220 V，D1～D6均為電機(jī)內(nèi)部逆變器的二極管構(gòu)造，其主要作用是反并聯(lián)和為電機(jī)運(yùn)行機(jī)組續(xù)流，Lm為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)用功率控制開關(guān)，Ln為濾波裝置驅(qū)動(dòng)用功率控制開關(guān)。電機(jī)內(nèi)共包含8個(gè)電阻，其中，R1為均壓電阻，R2～R5均為相電阻，R6和R7均為電機(jī)泄放電阻，R8為二極管保護(hù)電阻。無刷直流電機(jī)三相電感和互感穩(wěn)定不變，電機(jī)的三相相反電勢隨著電機(jī)運(yùn)行功率的增加而增高，換相信號在電機(jī)中的傳遞是按照順時(shí)針的方向進(jìn)行的。測試時(shí)，在該設(shè)備的R2～R7位置分別連接6個(gè)控制器，對電機(jī)內(nèi)電平的高低變化進(jìn)行檢測，并取其均值作為最終分析依據(jù)。

4.2 測試方法

通過交替驅(qū)動(dòng)功率控制開關(guān)的狀態(tài)將電機(jī)在啟動(dòng)和停止兩個(gè)狀態(tài)上切換。為了提高測試結(jié)果的可靠性，本文采用兩兩導(dǎo)通方式在三相繞組間建立關(guān)聯(lián)性。當(dāng)每相繞組導(dǎo)通狀態(tài)達(dá)到120°后，再將其調(diào)整為關(guān)斷狀態(tài)，并持續(xù)60°，以此循環(huán)。分別記錄不同控制方法下，母線電壓和電流的結(jié)果曲線。為了降低電機(jī)轉(zhuǎn)速對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本文以1 000 r·min-1作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。

4.3 測試結(jié)果

測試完成后，對比3種方法下母線電壓的變化情況，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，3種方法中，文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]的方法控制效果并不理想，電壓與換相前相比均出現(xiàn)了一定偏差。本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)對直流無刷電機(jī)的有效控制。另外，對比3種方法下母線電流的變化情況，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，電流結(jié)果與電壓結(jié)果存在一定的對應(yīng)關(guān)系，表明2組檢測數(shù)據(jù)是可靠的。可以發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]方法的控制效果與上文的分析結(jié)果一致，本文方法則始終保持較高的穩(wěn)定性，并且與換相前的電流具有高度的一致性?？梢?，本文方法具有良好的控制效果。

5 結(jié)語

直流無刷電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行離不開準(zhǔn)確有效的控制方法，這不僅是確保換相后轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)確的基礎(chǔ)，也是保護(hù)波形的重要條件。本文提出直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制方法研究，確保了換相前后電機(jī)電壓和電流的一致性，可為直流無刷電機(jī)的運(yùn)行控制提供有價(jià)值的參考。