方波无刷直流电动机无传感器控制与弱磁控制
吕晓春 沈建新 杜军红 陈永校(浙江大学杭州310027)
【摘 要】针对方波无刷直流电动机，讨论根据激磁电势波形确定电机换向时序的“端电压法”无传感器控制方法，并详细阐述其特殊的起动过程和双向运行技术。通常弱磁控制适用于正弦电机；对方波电机，文中提出了一种新型的用变压器电势抵消激磁电势而实现的等效弱磁控制方法，并作了理论分析与宴验验证。
1 引 言
无刷直流电机通常由逆变器、永磁同步电机本体、位置传感器及控制器组成。工作时，控制器根据传感器测得的电机转子位置有序地触发逆变器的各个功率器件，以实现换流。方波无刷电机采用120o型三相逆变器驱动；电枢绕组中的激磁电势(即发电机电势)为梯形波，且其平顶近似为120o电角度。永磁体粘贴在转子表面时，可以不计凸极效应。在适当的控制条件下，方波无刷电机转矩脉动小，出力大，控制简单，具有普通直流电机良好的调速特性，又无需机械式换向结构，因此得到广泛应用。
但是，传统的无刷电机都需要一套复杂的位置传感器，这对电机的可靠性、制造工艺要求等带来不利的影响，例如，①为安置传感器而增大电机尺寸。②传感器信号传输线太多，且易引入干扰。③高温、低温、污浊空气等恶劣的工作条件会降低传感器可靠性。④传感器的安装精度直接影响电机运行性能。可见，省去无刷电机的传感器能进一步扩展其应用领域与生产规模，具有很大的实际意义。
近年，国内外学者已对无位置传感器无刷直流电机作了不少研究，并取得了一定的成果。像日本hitachi公司将这种电机应用于空调机中，不仅改善了运行性能，还可起到较好的节能作用。目前国外文献报道最多的方法之一是，将电机三相电压、电流作坐标变换，在派克方程的基础上估算出电机转子的位置。本文称此方法为“转子位置计算法”。这种方法虽然能实现无刷电机的无传感器驱动，但也存在缺点：①计算繁琐，对微机要求高。②需准确测量电机电流，故抗干扰能力弱。③需准确预知电机参数，参数偏差影响系统性能。由于“转子位置计算法”一般只将基波分量作为计算变量，因此主要用于绕组感应电势为正弦波的电机中，而对方波电机并不是很适用。
对于方波无刷电机，本文阐述了一种更适合的方法，是根据与转子位置相对应的绕组激磁电势波形控制逆变器。激磁电势从电机端电压问接提取。端电压经过简单的无源滤波器、电压比较器及编码器，就得到逆变器触发信号。这种无传感器驱动方法(称为“端电压法”)，可有效地克服“转子位置计算法”的缺点，并且，改变滤波器的相频特性可以调节电机的超前触发角，实现等效的弱磁控制。
2无传感器控制
图1是方波无刷直流电机的主回路。逆变器由自关断功率器件g1～g6和续流二极管d1～d6构成。电枢绕组y型连接，激磁电势为120o梯形波。若忽略绕组电流的过渡过程，则逆变器每相输出120o矩形波电流。合理控制逆变器的触发时序，使得相电流和激磁电势的相位一致，如图2a所示，则电机电磁转矩无脉动，且特性与普通直流电机类似。这就是方波无刷电机的“****换向逻辑”。根据三相对称性，采用“****换向逻辑”时，逆变器各个功率器件的触发时序如图2b所示。在一个工作周期y内，控制器只在t1、t2……t66个关键时刻对逆变器操作。因此，对于方波电机，可以将三相激磁电势波形看作是控制逆变时序的基本依据。由于激磁电势波形与转子位置对应，“****换向逻辑”也可表述为：定子磁势超前转子磁势的位置角总保持在120o～60o之问，这样，无刷电机的逆变器触发信号取决于转子的位置。所以，无论所述的“端电压法”检测激磁电势波形，还是传统的“传感器法”或引言中提到的“计算法”测转子位置，都只是提供逆变时序的殊途同归的手段而已。
2．1原理
采用电压型逆变器按“****换向逻辑”供电。考虑绕组电感的影响和续流二极管的作用，电机相电流不再是矩形波，由此引起电磁转矩脉动。这时电机电压平衡方程的矩阵表达式为：
u=pl·i+l·pi+e+r·i(1)
式中，等号右边第一项是绕组电感变化引起的感应电势，当不计电机凸极效应时，其值为零；第二项是绕组电流变化引起的感应电势，即变压器电势；第三项是激磁电势。激磁电势是不能直接检测的，但是在任意时刻逆变器总有一相的功率器件全部关断，这时该相绕组的相电压就是变压器电势与激磁电势之和，并且激磁电势的过零点 |
