刘小虎，吴峻，赵宏涛，陆珊珊
(国防科学技术大学，湖南长沙410073)
摘要：根据直线无刷直流电动机的特点，在分析传统的无刷直流电动机控制方法优缺点的基础卜提出了一种简化的自位置传感器控制方法，并从推力波动和效率的角度对这种方式的可行性进行分析：从理论上推导了这种简化的控制方式造成电机推力的波动和效率下降的公式，进行了定量分析并通过仿真进行验证。结果表明，这种控制方式可以将其引起的电机推力波动控制在1％的范围内，能大大简化电路，抗干扰能力强，可靠性高。
关键词：直线无刷直流电动机；霍尔传感器；换相；推力波动
O引 言无刷直流电动机具有高效率、高功率密度的优点，近年来，它的应用变得越来越广泛，然而电磁转矩脉动是无刷直流电动机的致命弱点，因此关于无刷直流电动机转矩波动和抑制的研究成为热点【1-5】。近年来直线电动机的发展很快，关于直线无刷直流电动机的研究也开始出现，推力大、速度快是其特点之一，然而波动问题却是其无法避免并且需要进行深入研究的。
直线无刷直流电动机和旋转式永磁无刷电机原理相似，分为无位置传感器控制和有位置传感器控制，每种控制方式都有缺陷，并不能适用所有电机【6】。无位置传感器控制的缺点是起动困难、干扰多【7】。有位置传感器控制方式的主要缺点是需要使用传感器和位置检测电路板，因此占用空间多，不利于电机的小型化…；旋转式有位置传感器无刷直流电动机通常采用滞环比较的方式得到方波信号，其中每个位置传感器都是处在不断变化的磁场中，抗电枢磁场干扰能力较强，而直线无刷直流电动机的霍尔是铺设在定子上，理想情况下只有动子经过处的霍尔才感应变化的磁场，实际上电枢磁场会对霍尔传感器产生干扰，若采用滞环比较方式，当非动子经过处的霍尔传感器受到较大的电枢磁场干扰导致比较器输出发牛变化后再自动恢复到原状态就比较困难，这将得不到正确的转子位置信息，因而也就得不到正确的换相信号，导致电机无法正常工作。
本文提出的简化方法是对霍尔传感器的信号采用单限比较器处理来得到方波，这种方式不存在起动困难的问题，并且抗干扰能力极强，但这种方式会导致电流波形与反电动势波形的不匹配，引起电机推力的波动。本文将从理论上分析这一波动的大小，以评估这种简化控制方式的可行性。
l电机运行过程分析
图l是双边型直线无刷直流电动机的结构示意图，动子是永磁体，定子绕组按A相一B相一C相的顺序循环直线排列。图中黑点是霍尔位置传感器，根据动子永磁体磁场强度的变化产生变化的电压信号，其感应的磁场强度为零时的输出电压为2 5 V。
根据霍尔信号可以得到转子的位置信息，由此得到的换相信号可保证电机动子受到同一方向的磁场力做直线运动。
理想状态下电机运行过程中，霍尔传感器a、b、c的感应信号通过单限比较器整形后得到互差120。占空比为50％的方波信号HA、HB、HC，这三个信号组合后可形成六个换相信号，实现电机定子电流的换相，用这种方式得到换相信号的过程可用如图2所示的框图表示。
图3中的虚线分割的六个部分表示理想情况下直线无刷直流电动机霍尔位置传感器经比较器后的方波位置信号与电流和反电动势在一个周期中的六个状态的对应关系。
其中：Fem为动子受到的推力；v为动子速度。由图3知，当电机反电动势e为梯形波，采用三相对称、互差120。的方波电流供电时，稳态下动子受到的力将是一个和电流大小成正比的常数。
其中：E为每相反电动势幅值；』为相电流幅值。
实际上，霍尔元件不感应磁场时的输出电压为2 5 V，但是由于受到电枢绕组电流磁场的影响存在波动，并且比较器的参考电压也有波动，若参考电压选得过低，或过于接近2 5 V，则可能导致非感应动子磁场的霍尔传感器信号经单限比较器后自动翻转，造成位置信号出错而使电机无法正常运行。因此，比较器的参考电压应大于2 5 V，但这会导致各相霍尔输出经单限比较器后的波形变为占空比非50％的方波。
图4是参考电压为2 5 V和3 v时。相霍尔传感器输出经单限比较器后的波形，可看出，参考电压变化时，方波占空比也变化。
由图5可知，当参考电压比2．5 V高△u时，电流波形中正相电流右移△θ角度，反相电流左移△θ角度。由于错位部分电流对应的反电动势e的幅值不再固定为E，导致推力发生变化，通过下文的推导可以从理论上计算推力的波动和电机效率下降的大小。
2电机推力波动及效率分析
2 1推力波动分析
霍尔电压变化范围是[0.5 V，4 5 V]，实际参考电压比2．5 V高△u，对应的错位角为△θ，反电动势为e，血的范围是[0，2 v]，霍尔传感器输出波形的线性段所占角度与霍尔传感器所感应的动子N极与s极之间磁场强度有关，即与图l中两极之间间距d有关，按****情况考虑，其角度与间隙d所占电度角一样大，为30。，则△θ的范围是[0，15。]。在错位段内，任意时刻的各相电流仍为』，非错位段的反电动势为E，且一个周期内A、B、c 三相均形成两小段错位段，由于不存在叠加关系，且三相造成的力的波动是一样的，因此分析任意一相的波动即可知电机推力的波动范围。
式(14)即是由于电压抬升引起的效率下降公式，由式(14)可算出电压抬升量为0 2 V时，效率下降约0.031 25％。
3仿真和实验分析
采用Simulink进行仿真，电机参数如下：相电阻为0．5 n；反电动势常数为2 v／(m·s-1)；母线电压为200V；电机极距为O．276m；相电流为50 A；有效电感为0．1 mH。图6和图7分别为△u=1v和△u=0．2 V时的推力波动图，其****波动分别为12．5％和2 5％，与公式计算基本吻合。可以看出，
在实验过程中，对霍尔元件进行筛选，使霍尔传感器不感应磁场时的输出尽量接近2 5 V，单限比较器的参考电压通过稳压电路得到以减小波动，采取这两项措施后可使参考电压选为2 6 V甚至更小，并且由于霍尔元件的灵敏性，其输出特性的线性段所占的角度远小于30。，这样推力波动远小于1％。实际运行过程也确实是比较平稳的。
4结语
直线无刷直流电动机采用霍尔位置传感器和单限比较器的方式进行换相，原理简单，抗干扰能力强，可靠性高，通过定量分析可知，这种控制方式引起的波动可以控制在很小的范围内，具有很强的实用性，综合考虑各种控制方式的特点，在后续研究过程中，可考虑起动段采用有位置传感器控制，高速段采用反电动势法的无位置传感器控制的方式，这样既可以解决反电动势法起动难的问题，又由于只在电机起动段使用霍尔传感器，需要的传感器数量减少，位置检测电路板得以简化，成本也大大降低。 |
