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基于電感法無刷電動機轉子初始位置的辨識

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:3623

   摘要:研究基于電感法面裝式集中繞組稀土永磁無刷電動機轉子初始位置的確定方法。介紹了電感法的基本原理,在此基礎上分別討論了定子一相和二相通電時轉子磁極極性的確定方法,最后以6極、9槽三相六狀態無刷電動機為例分析了不同轉子平衡位置與電流變化率的大小關系。

0引  言

   無刷直流電動機(以下簡稱無刷電動機)正朝著無位置傳感器控制方向發展。日前無位置傳感器無刷電動機采用較多的是反電動勢法。反電動勢法的主要問題是電機起動瞬間轉速為零,反電動勢也為零,因此難以通過反電動勢獲得無刷電動機轉子的初始位置信息,形成所謂的檢測“盲區”。

   目前,基于反電動勢法的無位置傳感器無刷電動機大多采用“三段式”起動方法。所謂“三段式”起動方法,是指電機起動過程經過轉子定位、外同步加速和切換三個階段。其中轉子定位階段是使無刷電動機某兩相通電后所產生的電樞磁場與轉子永磁磁場相互作用,迫使轉子旋轉到某一位置。這種強制定位要求在短時間內必須向電機繞組通入較大的沖擊電流,因此存在明顯的問題:一是它受限于無刷電動機控制器的容量,控制器的容量太小,不允許使用,控制器容量太大,則會增加系統成本;二是對于重載無刷電動機,可能出現定位轉矩不足導致定位失??;三是可能在短時間電機出現反轉或者振蕩,對于某些負載來說是不允許的。

   電感法是利用面裝式和內置式兩類無刷電動機定子繞組的磁鏈特性,通過檢測不同的觀測量來確定轉子初始位置的方法。對于面裝式集中繞組無刷電動機,可以利用定子鐵心磁路的非線性特性來檢測轉子位置,即對于不同的轉子位置,定子繞組的電流變化率是鐵心磁導率的函數,通過檢測電流變化率可以得到轉子位置信息,本文主要研究這種無刷電動機。對于內置式無刷電動機,由于交、直軸電感與轉子位置存在對應關系,采用電流滯環控制檢測交、l直軸電感也可以得到轉子位置信息。

1電感法的基本原理

   無刷電動機一相的電壓平衡方程為: (1)式中:ua為無刷電動機一相電壓;R為相電阻;ia為相電流;La為相電感;ea為相反電動勢。

   電機起動瞬間沒有反電動勢,同時也不考慮電阻壓降,于是有: (2)上式表明,當無刷電動機一相繞組外施端電壓ua(如方波脈沖電壓)一定時,繞組電流變化率與其電感的大小成反比。如果電感增大,電流變化率減??;電感減小,電流變化率則增大,但兩者乘積不變。一相繞組的電感:  (3)式中:Na為無刷電動機一相繞組的有效匝數;Λm為電機主磁路所對應的磁導。

   當Na一定時,一相繞組的電感與主磁導Λm成正比。對于面裝式稀土永磁無刷電動機,由于等效氣隙很大,氣隙磁導相對較小,主要為鐵心磁導,這樣繞組電感近似與電機鐵心磁導率μ成正比。

   圖l為D23熱軋硅鋼片磁化曲線B一H和磁導率曲線μ一H。鑒于鐵磁材料磁化曲線的非線性,這里有三種情況:

   (1)若鐵磁材料工作在μ一H曲線最大磁導率右側,如果定子一相繞組通入電流后所產生的電樞磁通起增磁作用,磁導率下降,一相繞組電感減??;反之,如果定子一相通入電流后所產生的電樞磁通起去磁作用,則磁導率上升,一相繞組電感增大。

   (2)若鐵磁材料工作在μ一H曲線最大磁導率左側,如果定子一相繞組通人電流后所產生的電樞磁通起增磁作用,磁導率上升,一相繞組電感增大;反之,如果定子一相通入電流后所產生的電樞磁通起去磁作用,則磁導率下降,一相繞組電感減小。

   (3)若鐵磁材料工作在μ一日曲線的最大磁導率點,此時無論定子一相繞組通人電流后所產牛的電樞磁通是起增磁作用還是去磁作用,磁導率都是下降的,一相繞組電感減小。

   圖1  磚鋼片的磁化曲線和磁導率曲線

   電機鐵心所用硅鋼片一般在磁密為O.7 T左右出現最大磁導率,而齒內磁密一般為1.4 T左右。也就是說,鐵磁材料一般工作在最大磁導率右側,若電樞磁通起增磁作用,電感減小,電流變化率增大;若電樞磁通起去磁作用,電感增加,電流變化率減小。本文主要分析這種情況。

   需要指出的是,基于電感法無刷電動機一相繞組通過施加脈沖電壓得到相應的電流響應,并不需要使轉子發生偏轉,故電流相對較小,而且通電時間較短;另一方面,對于集中繞組無刷電動機,一相繞組套在一個定子齒上,即使較小的電流也能產生一定的增磁或去磁效應。

2一相通電轉子磁極極性的辨識

   圖2為面裝式2極3槽無刷電動機結構示意圖。通常無刷電動機三相集中繞組繞制方向相同,三相首端均為同名端。假定轉子處于如圖2所示的兩種平衡狀態。當一相繞組通人正向電流(從首端流向末端)時,靠近氣隙的極靴處為S極,另一端為N極;一相繞組通入反向電流(從末端流向首端)時,靠近氣隙的極靴處為N極,另一端為S極。

    圖2而裝式2極3槽無刪電動機結構示意圖

2.1轉子N極正對一相定子齒

   圖2a中,轉子N極朝上,如正面對4相齒。在A相繞組通人正向電流,齒內繞組所產牛的磁通與轉子永磁磁通方向相同,起增磁作用(或稱順磁方向),其磁導率和繞組電感減小,電流變化率增大,則齒極靴處的S極性與靠近的轉子N極極性相反,兩者為異性。

   此時,轉子S極處于B、C相齒中間位置,無論是B相還是C相通入正向電流,齒內繞組所產生的磁通與轉子永磁磁通方向相反,其磁導率和繞組電感增大,電流變化率減小??梢?,轉子N極與電流變化率最大的一相齒對齊。

2.2轉子S極正對一相定子齒

   圖2b中,轉子S極朝卜,如正面對A相齒。在A相繞組通入正向電流,齒內繞組所產生的磁通與轉子永磁磁通方向相反,起去磁作用(或稱逆順磁方向),其磁導率和繞組電感增大,電流變化率減小,則齒極靴處的S極性與靠近的轉子S極極性相同,兩者為同性。

   此時,轉子N極處于B、C相齒中間位置,無論是口相還是C相通入正向電流,齒內繞組所產生的磁通與轉子永磁磁通方向相同,其磁導率和繞組電感減小,電流變化率增大??梢?,轉子S極與電流變化率最小的一相齒對齊。

3二相通電轉子磁極極性的辨識

   仍以面裝式2極3槽無刷電動機為例來分析,并假定轉子處于如圖2所示的平衡狀態。

   逆變橋供電的三相無刷電動機及其電流檢測電路如圖3所示。逆變橋電源負端串接采樣電阻Rs,采樣電阻上檢測的電壓信號結合合適算法得到反映無刷電動機轉子的位置信息。由于三相方波無刷電動機采用兩相通電方式,這樣所觀測到的電流變化率會更明顯些,  

  圖3逆變橋供電的三相無刷電動機及其電流榆測電路

3 l轉子N極正對一相定子齒

   在圖2a中,若采用AB相(或AC相)通電,即在A相繞組通入正向電流,B相繞組通入反向電流,此時A、B相齒上繞組所產牛的磁通與轉子永磁磁通方向相同,其磁導率和繞組電感減小,電流變化率增大,則正向通電相(A相)齒極靴處的極性與靠近的轉子磁極的極性相反,兩者為異性。

3.2轉子S極正對一相定子齒

   在圖2h中,若采用AB相(或AC相)通電,即在A相繞組通入正向電流,B相繞組通人反向電流,此時A、B相齒上繞組所產生的磁通與轉子永磁磁通方向相反,其磁導率和繞組電感增大,電流變化率減小,則正向通電相(A相)齒極靴處的極性與靠近的轉子磁極的極性相同,兩者為同性。

   可見,二相通電與一相通電轉子磁極性的辯識的結論是相同的。即當一相齒的極靴處為S極,另一端為N極時,若齒上某相繞組電流變化率大,則正向通電相極靴處的S極與靠近的轉子N極極性相反,兩者為異性;若齒上某相繞組電流變化率小,則正向通電相極靴處的S極與靠近的轉子S極極性相同,兩者為同性。所不同的是,一相通電可以辨識轉子磁極處于兩相齒中間的位置的極性,而二相通電則不能辨識轉子磁極處于兩相齒中間位置的極性。限于篇幅,本文不作詳細分析。

   一相通電方法需要無刷電動機引出繞組中線,而且要改變三相逆變器的導通邏輯,比較麻煩,實際中采用二相通電方法比較有利。

4 6極9槽無刷電動機分析

   圖4為6極9槽三相六狀態無刷電動機轉子的六個平衡位置圖。

 圖4 6極9槽無刷電動機轉子六個平衡位置

   在某一平衡位置下,六個導通狀態中會有兩個狀態的電流變化率基本相同。以轉子平衡位置I為例,當轉子N極正對A相齒時,S極被B、C相齒平分,此時BC相和CB相通電應該得到相同的電流采樣值。同理,AB相與AC相通電、BA相與CA相通電的電流采樣值基本相同。轉子平衡位置Ⅳ時,AB相與AC相通電、BC相和CB相通電、BA相與CA相通電的電流采樣值也基本相同。轉子平衡位置I、Ⅱ、Ⅲ與轉子平衡位置Ⅳ、V、Ⅵ所對應導通狀態的

電流采樣值相是一致的,這是因為一個電周期內N極和S極各占180°的原因。轉子六個平衡位置分析結果如表1所示。

表1  采樣值相同狀態與轉子平衡位置對應表

   進一步分析不同轉子平衡位置電流變化率的大小關系。以轉子平衡位置I為例,此時N極正對A相齒,A相繞組正向通電會在極靴處產生一個S極,B相(或C相)反向通電在其極靴處產生一個N極,因此AB(或AC)相通電時所產生的磁場都是順磁方向的,此時所得到的電流采樣值的變化率應足六個通電狀態中最大的。當B(或C)相通電時繞組產生的磁場都是逆磁方向的,此時電流變化率應小于AB(或AC)相通電情況,以下記為AB>BA,AC>CA.類似分析各個轉子平衡位置的通電情況,結果如表2所示。

表2  不同轉子平衡位置電流變化率的大小關系

   根據表2就可以知道無刷電動機轉子是處于六個平衡位置中的哪一個了。

   當然,某些極槽配合的無刷電動機并不存在上述所謂的平衡位置,但在一個電周期內總能找到幾個特殊的轉子位置,其余轉子位置可以根據這些特殊位置通過檢測和判斷進行位置辨識得到。

基于本文所述原理,作者進行實驗研究。實驗樣機為120W、6極、9槽而裝式EPS無刷電動機,額定電壓12 V,額定電流15 A,額定轉速1 000 r/min c實測繞組電流小于1 A,這比額定電流要小很多,而且通電時間較短,轉子無偏轉。限于文章篇幅,實驗情況這里不加細述,詳見文獻。

5  結語

通過檢測無刷電動機定子繞組電流在不同轉子位置下對脈沖電壓的響應,并與預先推導的電流變化率關系進行比對,可以獲知轉子初始位置,據此確定無刷電動機三相繞組的通電邏輯。運用本方法進行無刷電動機的初始定位,并不依賴電機參數,只是取決于各相之間電流變化率的相對關系,避免了轉子反轉以及沖擊電流過大的問題,對于采用反電動勢法的無刷電動機,控制電路無須作大的改動即可應用這一方法。

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