方波無刷直流電動機無傳感器控制與弱磁控制

    呂曉春  沈建新  杜軍紅  陳永校(浙江大學杭州310027)

    【摘  要】針對方波無刷直流電動機，討論根據激磁電勢波形確定電機換向時序的“端電壓法”無傳感器控制方法，并詳細闡述其特殊的起動過程和雙向運行技術。通常弱磁控制適用于正弦電機；對方波電機，文中提出了一種新型的用變壓器電勢抵消激磁電勢而實現的等效弱磁控制方法，并作了理論分析與宴驗驗證。

1  引  言

    無刷直流電機通常由逆變器、永磁同步電機本體、位置傳感器及控制器組成。工作時，控制器根據傳感器測得的電機轉子位置有序地觸發逆變器的各個功率器件，以實現換流。方波無刷電機采用120^o型三相逆變器驅動；電樞繞組中的激磁電勢(即發電機電勢)為梯形波，且其平頂近似為120^o電角度。永磁體粘貼在轉子表面時，可以不計凸極效應。在適當的控制條件下，方波無刷電機轉矩脈動小，出力大，控制簡單，具有普通直流電機良好的調速特性，又無需機械式換向結構，因此得到廣泛應用。

    但是，傳統的無刷電機都需要一套復雜的位置傳感器，這對電機的可靠性、制造工藝要求等帶來不利的影響，例如，①為安置傳感器而增大電機尺寸。②傳感器信號傳輸線太多，且易引入干擾。③高溫、低溫、污濁空氣等惡劣的工作條件會降低傳感器可靠性。④傳感器的安裝精度直接影響電機運行性能。可見，省去無刷電機的傳感器能進一步擴展其應用領域與生產規模，具有很大的實際意義。

    近年，國內外學者已對無位置傳感器無刷直流電機作了不少研究，并取得了一定的成果。像日本hitachi公司將這種電機應用于空調機中，不僅改善了運行性能，還可起到較好的節能作用。目前國外文獻報道最多的方法之一是，將電機三相電壓、電流作坐標變換，在派克方程的基礎上估算出電機轉子的位置。本文稱此方法為“轉子位置計算法”。這種方法雖然能實現無刷電機的無傳感器驅動，但也存在缺點：①計算繁瑣，對微機要求高。②需準確測量電機電流，故抗干擾能力弱。③需準確預知電機參數，參數偏差影響系統性能。由于“轉子位置計算法”一般只將基波分量作為計算變量，因此主要用于繞組感應電勢為正弦波的電機中，而對方波電機并不是很適用。

    對于方波無刷電機，本文闡述了一種更適合的方法，是根據與轉子位置相對應的繞組激磁電勢波形控制逆變器。激磁電勢從電機端電壓問接提取。端電壓經過簡單的無源濾波器、電壓比較器及編碼器，就得到逆變器觸發信號。這種無傳感器驅動方法(稱為“端電壓法”)，可有效地克服“轉子位置計算法”的缺點，并且，改變濾波器的相頻特性可以調節電機的超前觸發角，實現等效的弱磁控制。

2無傳感器控制

    圖1是方波無刷直流電機的主回路。逆變器由自關斷功率器件g1～g6和續流二極管d1～d6構成。電樞繞組y型連接，激磁電勢為120^o梯形波。若忽略繞組電流的過渡過程，則逆變器每相輸出120^o矩形波電流。合理控制逆變器的觸發時序，使得相電流和激磁電勢的相位一致，如圖2a所示，則電機電磁轉矩無脈動，且特性與普通直流電機類似。這就是方波無刷電機的“****換向邏輯”。根據三相對稱性，采用“****換向邏輯”時，逆變器各個功率器件的觸發時序如圖2b所示。在一個工作周期y內，控制器只在t1、t2……t₆6個關鍵時刻對逆變器操作。因此，對于方波電機，可以將三相激磁電勢波形看作是控制逆變時序的基本依據。由于激磁電勢波形與轉子位置對應，“****換向邏輯”也可表述為：定子磁勢超前轉子磁勢的位置角總保持在120^o～60^o之問，這樣，無刷電機的逆變器觸發信號取決于轉子的位置。所以，無論所述的“端電壓法”檢測激磁電勢波形，還是傳統的“傳感器法”或引言中提到的“計算法”測轉子位置，都只是提供逆變時序的殊途同歸的手段而已。

2．1原理

    采用電壓型逆變器按“****換向邏輯”供電。考慮繞組電感的影響和續流二極管的作用，電機相電流不再是矩形波，由此引起電磁轉矩脈動。這時電機電壓平衡方程的矩陣表達式為：

  u=pl·i+l·pi+e+r·i(1)

  式中，等號右邊第一項是繞組電感變化引起的感應電勢，當不計電機凸極效應時，其值為零；第二項是繞組電流變化引起的感應電勢，即變壓器電勢；第三項是激磁電勢。激磁電勢是不能直接檢測的，但是在任意時刻逆變器總有一相的功率器件全部關斷，這時該相繞組的相電壓就是變壓器電勢與激磁電勢之和，并且激磁電勢的過零點