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一种新的无刷直流电机起动方法
2016年12月21日

一种新的无刷直流电机起动方法

摘要:针对无位置传感器无刷直流电机的起动,文中提出一种短时检测脉冲转子定位起动技术:起动过程中,每次
驱动电机三相绕组之前,通过6个短时检测脉冲测得转子的位置后,再确定相应待驱动的相序。文中在原理上和具体的细节上给予了详细的阐述。
 
l  引  言
    传统永磁无刷直流电机内部位置传感器的存在对电机的制造及其性能带来了不利的影响,因而无位置传感器无刷直流电机的应用正在逐渐兴起。在各种无位置传感器无刷直流电机的控制技术中,最简单实用的是基于反电势检测的方法,只要测出各相反电势的过零点就可获得三相电机所需的转子6个关键位置信号。但当电机起动或转速很低时,反电势电压为零或很小,反电势法已不再适用。针对这个问题,人们提出了三段式起动技术来加以解决。
    三段式起动通常是按他控式同步电动机的运行状态从静止开始加速,直至转速足够大,再切换至无刷直流电机运行状态。包括转子定位、加速和运行状态切换三个阶段。通常三段式起动技术实现时,转子定位是在第一步进行:让任意两相绕组通电,经过一定的时间后转子将转到一个预知的位置,在此期间,电机转子可能会出现振荡现象;第二步加速过程中,不再对转子定位,但必须保证定子磁势与转子直轴的夹角δ≥0。若δ<0,可能导致电机不稳定、失步,最终导致起动失败。这种三段式起动在控制实现时难度较大。
    本文采用的检测脉冲转子定位起动技术,尽管也分为转子定位、加速及切换3个过程,但定位与加速的方法与通常三段式起动技术中的方法不同。在此,转子定位时给电机的定子绕组按一定的规则施加6个短时检测脉冲,然后成对比较相应的脉冲电流峰值,通过检查事先定义的转子位置代码表,得出转子位置及随后加速时将需要的通电相序。加速过程中,每次当加速脉冲结束后,再一次发出6个检测脉冲确定转子的位置,然后再确定将要通电的相序,不断重复检测一加速一检测一加速…直到电机转速高到可以用反电势法确定转子的位置时为止。由于检测脉冲
的脉宽很窄,不会对低速旋转的电机造成大的影响。转子定位时能保证电机转子在起动时不产生振荡,加速时控制简单,易于实现。
2检测脉冲转子定位技术
任何带铁心的电感线圈中通过的电流由小到大的增加时,铁心中的磁通将逐渐增大,最终,当所有磁畴朝向同一方向时,磁通量将不再随着线圈中通过的电流的增加而增加,进入了饱和状态。忽略磁滞和涡流影响后,电流、磁通的关系如图1所示,电感L不再是一个常量,当外界磁场作用于电感时,L随着铁心线圈内部磁通的变化而变化。
    图1中La>Lb。
图1  铁心电感的磁通与线圈电流的关系
 
 当固定df、Ux后,则L与di成反比,电感L越大,则电流的变化di就越小。
    因为永磁体(在这指转子)对带铁心的电感线圈(在此指定子)在宏观上具有增磁或去磁作用,从而使线圈电感L减小或增大。当对定子绕组施加固定脉宽(df与Ux均固定)的检测脉冲后,不同的检测峰值脉冲电流对应不同的铁心电感L,峰值电流越大,则相应的电感L越小,反之亦然。检测脉冲转子定位起动技术正是建立在这一原理基础上。
3  转子定位
    由于检测脉冲的宽度很小,不会对电机的转动有太大的影响,但脉冲检测电压的宽度是一个固定值。脉宽既不能太宽,也不能太小,太宽则造成定子磁通饱和后,电流上升的幅度太大,对电机不利;脉宽太小则峰值电流过小,同样也不行。根据各电机的实际情况,这个检测脉宽的宽度也不尽相同,主要通过试验得到。在本系统中检测脉宽时间取100μs。
    转子定位具体步骤:
    第一步,首先将脉冲检测电压(如图2a所示)加到电机的三相绕组后,数字控制器通过电流传感器不断对电流进行A/D变换,当检测脉冲结束时,得到一个峰值电流IPA;然后将脉冲电压(如图2b所示)接到电机三相绕组,重复上一步,当脉宽时间定时到后,可以得到另一个峰值电流I´PA。
    假设转子的位置如图2a所示,当如图2a将电压接到电机上(A相单独接电源的正极或地,而B、C两相相连后接地或正极,为表述方便,在此将其简称为A相通电,下同),转子磁势与绕组电流所产生的定子合成磁势之间的夹角θ大于90°,转子磁势将对定子磁势产生去磁作用,设此时铁心电感的电感量为L0,得到峰值电流,IPA同理,当如图2b将电压接到电机上时,夹角θ小于90°,转子磁势将对定子合成磁势产生增磁作用,设此时铁心电感的电感量为L1得到峰值电流I´PA。由于峰值电流,IPA小于I´PA所以可知L0大于L,进一步逆推回去,就能将转子的位置确定在80°的范围以内,如图2c中阴影部分所示。

 

图2 A市日通电转于定位
 第二步,仅仅将转子的位置确定在180°的范围内还不满足要求。为了进一步的更精确地确定转子的位置,只需按上一段的方法重新对相绕组通电2次。所不同的是,上次是B、C两相同时接地或同时接驱动电源的正极,这次A、B两相相连,同时接正或地,其余方法同上,简称B相通电。最终通过判断IPc和I´PA,就可以将转子的位置确定在新的180°范围以内,将这次的结果与图2c画在同一张图上,就得到图3a。
    从图3中可见,转子的位置已经被确定在120°范围以内。当然如果上一步就让A、C两相同时接地或电源正极,那么就已经可以确定转子的位置,如图3b所示。但是由于在实际应用过程中事先无法确定转子的位置,所以必须进行第三步检测。
图3 c相通电转子定位
    第三步,原理同上,但这次让A、C同时接地或电源正极,B相单独接正极或地,简称C相通电。从而转子的位置将被定位在60°的范围以内。如图4所不,二个半圆的重叠区域就是最终定位出来的转子的位置。采用两两通电方式时,当转子的位置被定位在60°的范围以内后,应该哪两相绕组通电就很容易确定了。

图4C相通电转子定位
在具体实现时,把每次检测得到的一对电流峰值IPX与I´Px进行比较,若IPx大于I´Px,则定义一个位置代码“1”,反之为“0”。这样经三步检测可得3个位置代码。如果定义顺时针方向为电机正转方向,主电路如图5所示,那么可以得换相表表1。转子的位置是任意的,转子磁势的方向有可能正好处于某一个边界线上,由表1可知,这种状态其实对换相并没有影响,只需将它归入某一预先定义好的驱动状态即可。具体实现时对不同的系统、不同的转向及绕组中检测脉冲所施加的顺序不同表内的值也将不同。本文中设脉冲的顺序为:A→BC、BC→A、B→AC、AC→B、C→AB、AB→C。例如A—BC表示+V接A相,BC两相接地,功率管关断时应先阻断A相的管子,而B、C相的两个管子继续导通,让其与某一续流二极管一起续流,其余类推。

4   加速与切换
    确定了转子的位置后,根据表1中的位置代码,控制软件通过简单的查表法立刻知道接着该给哪两相绕组通电。从静止状态加速起动时,对不同的系统,电机绕组的初始通电时间Tint的选取也不尽相同,在此取20ms。当Tint电定时结束后,接着重复1次转子位置检测定位过程,得到下一时刻转子的位置,如果前后2次所测得的转子位置相同则绕组通电时间Tint不变,如果连续3次转子都顺序地转到了相应的位置,不失步也不跳过下一步,则将Tint减少lms,以适应转速增加后亦能迅速准确的保证定位和换相的进行。在整个加速过程中Tint将逐渐减小,最小值取
10ms。这种方法在DSP控制器上,通过软件很容易实现。随着转速的升高,Tint与发6个脉冲检测转子的位置所花的时间之比越来越小,显然,对于高速时,用此法检测转子的位置已不合适。当升到某个转速以上,已经可以通过反电势法检测转子的位置后,就不需要再用这种方法检测转子的位置而切换到反电势法,通过反电势法就可以完成速度控制任务。
5  结  论
    本文中的转子定位起动技术通过6个短时脉冲来检测转子的位置,并以此为基础进一步驱动功率管达到定位与加速起动的目的,实现起来简单方便,有一定的推广价值。若将控制系统中使用的DSP——TMS320F240改为TMS320F2407或TMS320F2812,将会取得更好的效果,因为后者的AD变换为200~500ns,运算速度也较F240快的多。
    值得指出的是,文中的所有结论是建立在铁心电感磁饱和性质基础之上的,如果无刷直流电机的定子绕组不是铁心线圈,比如是空心线圈或电机转子本身是一个标准的圆柱状永磁体,则以上方法的可靠性将降低。因为这样很难从6个电流脉冲峰值中准确区分出大小,其余更好的起动方法值得进一步的研究。

 

 

 

   
 
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