杜 軍, 張林森, 趙 軍

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一種基于電壓脈沖注入的對轉(zhuǎn)無刷直流電機起動方法

杜 軍1, 張林森2, 趙 軍2

(1. 海軍裝備部 軍械保障部, 北京, 100841; 2. 海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

為解決反電勢法無法實現(xiàn)電機自起動的問題, 結(jié)合對轉(zhuǎn)無刷直流電機永磁體轉(zhuǎn)子的凸極性, 提出了一種改進的電壓脈沖注入定位起動方法, 該方法通過向電機電樞繞組注入開關(guān)電壓矢量, 利用電壓矢量產(chǎn)生的電流響應(yīng)估計轉(zhuǎn)子位置角, 以此實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)子定位、起動和加速。試驗結(jié)果驗證了該方法的有效性。

對轉(zhuǎn)無刷直流電機; 起動; 電壓脈沖注入; 反電勢法

0 引言

對轉(zhuǎn)電動機在水下推進領(lǐng)域應(yīng)用廣泛, 其特殊的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)結(jié)合對轉(zhuǎn)螺旋槳, 可以有效抑制水下航行器的橫傾。近年來, 隨著永磁體材料和大功率電力電子器件的發(fā)展, 對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電機開始應(yīng)用于水下航行器中[1-2]。

無刷直流電機依靠轉(zhuǎn)子位置信號產(chǎn)生控制邏輯, 來驅(qū)動電子換相器, 使電機輸出持續(xù)的轉(zhuǎn)矩維持運轉(zhuǎn)。位置信號通常由安裝在電機內(nèi)部的位置傳感器獲得, 位置傳感器的存在增加了無刷直流電機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性, 降低了系統(tǒng)的可靠性, 因此, 無位置傳感器控制技術(shù)一直受到國內(nèi)外研究人員的重視。目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的是反電勢法[3], 但是這種方法無法實現(xiàn)電機的自起動, 必須使用特殊的起動方法, 待電機達到一定轉(zhuǎn)速后切換至無位置傳感器控制。目前見于文獻的起動方法主要包括三段式起動法、預(yù)定位起動法和高頻信號注入定位起動法等[3-4]。本文結(jié)合水下推進器特點, 針對永磁體為插入式安裝的對轉(zhuǎn)無刷直流電機, 提出了一種改進的電壓脈沖注入定位起動方法。

1 電壓脈沖注入法原理

對轉(zhuǎn)無刷直流電機的永磁體為插入式安裝, 由于永磁磁極與鐵心的磁導(dǎo)率不同, 使電機呈現(xiàn)了凸極性。對于這種凸極轉(zhuǎn)子的電機而言, 一個重要特征就是繞組的自感和互感隨2個轉(zhuǎn)子的相對位置角的函數(shù), 電壓脈沖注入法正是利用了這一特性, 從不同方向?qū)﹄姍C施加電壓空間矢量, 通過測量其電流響應(yīng)來估計轉(zhuǎn)子的位置。

正常運行狀態(tài)下的對轉(zhuǎn)無刷直流電機為三相兩兩導(dǎo)通方式, 即每一瞬間有2個功率管導(dǎo)通。為了清楚地描述電壓空間矢量, 本文利用6個逆變器功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)即6位二進制數(shù)來表示電壓空間矢量, 如果約定1位二進制數(shù)的0 表示功率開關(guān)管關(guān)斷, 1 表示功率開關(guān)管導(dǎo)通, 則可得到各功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)與6個非零電壓空間矢量的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

2 改進的電壓脈沖注入定位起動法

2.1 轉(zhuǎn)子初始相對位置的估計

本文提出的方法分為2個階段, 第1階段將轉(zhuǎn)子相對位置初步定位在30°精度范圍內(nèi)[5]; 第2階段, 利用3個開關(guān)電壓矢量電流響應(yīng)的特點, 進一步提高轉(zhuǎn)子相對位置的估計精度[5]。

2.2 加速過程

圖2 長短交替的開關(guān)電壓矢量及其電流響應(yīng)

表1 1個電周期內(nèi)的長短開關(guān)電壓矢量組合

2.3 切換過程

電機起動加速到一定速度以后, 就可以將電機切換至自同步運行狀態(tài)。在起動過程中, 通過施加2個相鄰的開關(guān)電壓矢量, 可以判斷轉(zhuǎn)子位置所在區(qū)間并且獲得電機的換相時刻, 將這個換相時刻稱為真實換相時刻; 另一方面, 在每次施加長開關(guān)電壓矢量時, 利用反電勢法可以估算出電機的換相時刻, 將其稱之為預(yù)估換相時刻, 將預(yù)估換相時刻與真實換相時刻進行比較, 若連續(xù)3次檢測到二者相等, 認為切換條件滿足, 將預(yù)估換相時刻作為電機的真實換相時刻控制電機運行, 也就是將電機切換至無傳感器控制狀態(tài)。至此, 電機的起動過程結(jié)束。

3 試驗結(jié)果及分析

圖3是轉(zhuǎn)子初始相對位置分別為60°和120°時注入的開關(guān)電壓矢量的電流響應(yīng)曲線。表2給出了這2種情況下轉(zhuǎn)子的實際位置和按照本文提出算法估計得到的位置角度值的對比。從表2可以看出, 按照這種方法能夠有效地估算出試驗電機的初始轉(zhuǎn)子位置, 估算誤差在5°電角度以內(nèi), 這個誤差足以滿足電機起動的需要。

圖4給出了電機在加速過程中注入的長短脈沖序列產(chǎn)生的電流響應(yīng)曲線, 其中位置檢測輔助脈沖即短脈沖的作用時間為250 μs, 加速脈沖即長脈沖的作用時間為750 μs。從圖中可以看出, 位置檢測輔助脈沖的電流響應(yīng)幅值逐漸減小, 這是由于轉(zhuǎn)子位置變化導(dǎo)致繞組的電感發(fā)生了變化, 此外, 當電機開始旋轉(zhuǎn)以后, 繞組內(nèi)部產(chǎn)生的反電動勢也會對電流響應(yīng)的幅值有所影響, 不過由于轉(zhuǎn)速較低, 這種影響不會很大。

圖3 轉(zhuǎn)子在不同初始相對位置時開關(guān)電壓矢量的電流響應(yīng)

表2 2種情況下轉(zhuǎn)子實際位置估計位置對比

圖4 加速過程電流響應(yīng)曲線

當加速脈沖在250 μs時刻的電流響應(yīng)大于此刻位置檢測輔助脈沖產(chǎn)生的電流響應(yīng)時, 電機進行換相操作, 即: 將當前位置檢測輔助脈沖變?yōu)榧铀倜}沖, 并將下一區(qū)間能夠產(chǎn)生最大電磁轉(zhuǎn)矩的開關(guān)電壓矢量作為新的位置檢測輔助脈沖。

圖5給出了換相點附近的2組電流響應(yīng)曲線。從圖5(a)中可以看出, 此時位置檢測輔助脈沖在250 μs處產(chǎn)生的電流響應(yīng)比加速脈沖在250 μs處產(chǎn)生的電流響應(yīng)大, 此時還沒有到換相時刻, 而在圖5(b)中, 位置檢測輔助脈沖脈沖在250 μs處產(chǎn)生的電流響應(yīng)開始比加速脈沖在250 μs處產(chǎn)生的電流響應(yīng)小, 這時應(yīng)對電機進行換相。如此反復(fù), 電機的轉(zhuǎn)速在加速脈沖的作用下逐漸上升, 直至達到切換條件。

圖6是在50 N·m恒定負載下, 電機從靜止起動到900 r/min穩(wěn)定運行整個過程電樞轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速曲線。電機轉(zhuǎn)速的實際值是利用安裝在電機軸端的轉(zhuǎn)速傳感器測得的, 從圖中可以看出, 本文提出的基于電壓脈沖注入的轉(zhuǎn)子定位起動方法能夠確保電機可靠起動, 整個過程中轉(zhuǎn)速比較平穩(wěn), 沒有出現(xiàn)大的波動; 向無位置傳感器閉環(huán)運行的切換點轉(zhuǎn)速約等于180 r/min, 為額定轉(zhuǎn)速的12%。由于在轉(zhuǎn)子初始相對位置估計階段和加速階段電機屬于開環(huán)運行, 因此這2個階段電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值為零, 電機進入無位置傳感器閉環(huán)控制運行狀態(tài)以后, 為了保證電機的穩(wěn)定過渡, 程序中采取逐步加大轉(zhuǎn)速設(shè)定值的辦法, 使電機的轉(zhuǎn)速快速穩(wěn)定上升。電機轉(zhuǎn)速的估計值是通過測量2次換相控制信號的時間間隔來獲得, 但是這種方法只能估計電機2個轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速, 由于對轉(zhuǎn)電機內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速差別不大, 因此將上電機2個轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速的二分之一作為電樞轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速估計值。由于在加速過程中獲得的電機換相控制脈沖信號與電機的實際換相信號存在相位差, 因此這個階段轉(zhuǎn)速估計誤差比較大, 進入閉環(huán)控制階段以后, 電機轉(zhuǎn)速的估計值和實際值就比較接近了, 這也說明上述轉(zhuǎn)速估計方法是可以滿足系統(tǒng)的控制要求的。

圖5 加速過程換相點附近的電流響應(yīng)

4 結(jié)束語

本文利用對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電機永磁體轉(zhuǎn)子的凸極性和電樞轉(zhuǎn)子鐵心的磁飽和性, 提出了一種基于電壓脈沖注入的轉(zhuǎn)子初始相對位置估計方法, 這種方法利用永磁體轉(zhuǎn)子N極附近的3個開關(guān)電壓矢量產(chǎn)生的電流響應(yīng), 準確估計了轉(zhuǎn)子初始相對位置; 在電機加速過程中, 采用長短脈沖序列交替作用于電機, 通過測量并比較相同作用時間內(nèi)二者產(chǎn)生的電流響應(yīng)的方法來估計轉(zhuǎn)子相對位置, 以控制電機換相, 這種方法既具有合理的控制精度, 又避免了多脈沖注入估計法在電機轉(zhuǎn)速升高后所帶來的一些問題。試驗結(jié)果表明, 本文提出的方法能夠保證電機在帶負載條件下快速定位與起動, 整個起動過程平穩(wěn), 沒有出現(xiàn)振蕩和反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖6 起動過程電樞轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速曲線

[1] 王建平. 魚雷電動力推進系統(tǒng)暫態(tài)分析[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2002.

[2] 錢東, 崔立, 薛蒙. 美國新一代電動力輕型魚雷研發(fā)策略分析[J]. 魚雷技術(shù), 2007, 15(6): 1-4.Qian Dong, Cui Li, Xue Meng. R&D Strategy of Next Generation Electric Power Lightweight Torpedo in US Navy[J]. Torpedo Technology, 2007, 15(6): 1-4.

[3] Kim T, Lee H W, Ehsani M. Position Sensorless Brushless DC Motor/generator Drives: Review and Future Trends[J]. IET Electronic Power Application, 2007, 1(4): 557–564.

[4] Lee W J, Sul S K. A New Starting Method of BLDC Motors without Position Sensor[J]. IEEE Transactions on Industry Application, 2006, 42(6): 1532-1538.

[5] 張林森, 謝順依, 石能勝, 等. 基于電壓脈沖注入的對轉(zhuǎn)無刷直流電機轉(zhuǎn)子初始相對位置確定方法[J]. 微電機, 2011, 44(5): 31-36. Zhang Lin-sen, Xie Shun-yi, Shi Neng-sheng, et al. A Method for Initial Relative Position of Contra-rotating Brushless DC Motor Rotors Based on Voltage Pulses Injection[J]. Micro- motors, 2011, 44(5): 31-36.

[6] 張智堯, 林明耀, 周谷慶. 無位置傳感器無刷直流電動機無反轉(zhuǎn)起動及其平滑切換[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2009, 24(11): 26-31.Zhang Zhi-yao, Lin Ming-yao, Zhou Gu-qing. Anti-Reverse Rotation Startup and Smoothly Switching of Sensorless Brushless DC Motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(11): 26-31.

An Improved Starting Method of Contra-rotating Brushless DC Motor Using Voltage Pulses Injection

DU Jun1, ZHANG Lin-sen2, ZHAO Jun2

(1. Naval Armament Department, Beijing 100841, China; 2. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

An improved starting method is proposed to solve the problem that brushless DC motor cannot self-start under the sensorless control strategy of back electromotive force(EMF) method. The salient polarity of the permanent magnet rotor is utilized for contra-rotating brushless DC motor. In the proposed method, voltage pulses are injected to armature-rotorof the motor, and the corresponding current response are sampled for estimating the angle of rotor position, so two rotors of the contra-rotating brushless DC motor can be positioned, started and then accelerated. The effectiveness of the proposed method is validated experimentally.

contra-rotating brushless DC motor; starting; voltage pulse injection; back electromotive force(EMF)method

TJ631.2; TM361

A

1673-1948(2013)02-0137-04

2012-06-12;

2012-08-03.

杜 軍(1979-), 男, 碩士, 工程師, 主要從事魚雷武器總體技術(shù)方向研究.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)