达松伐尔型永磁无刷直流电机自起动技术
摘要：达松伐尔型永磁无刷直流电机本质上无起动转矩。文章提出一种定相、牵引、自监视和自复位的解决方案，结合鉴相调宽型闭环控制线路，实现电机的自主可靠起动。 1引言 采用达松伐尔型结构的永磁直流电动机性能优越。由于没有换向器和电刷组成的机械接触装置，所以没有换向火花，无干扰和污染，寿命长，同时调速方便；转子为永磁体，无励磁损耗；定子无铁心，无磁滞损耗和涡流损耗，仅存在定子绕组的铜耗；无铁心电枢的导体位于工作气隙中，消除了由于齿槽效应引起的转矩波动，同时，外转子结构增大了转子的转动惯量，平滑了转矩波动引起的转速波动；利用电枢绕组兼作转子位置传感器，采用反电势换相，简化了电机结构，提高了可靠性。因而该型电机被广泛应用于家用电器、仪器仪表等产品。 然而，由于必须借助反电势换向，在起动时，反电势尚未形成或者很弱，不能作为换向基准，导致该型电机起 动困难。解决此问题的方法是采用盲起动，即在起动瞬间任意给出一加电相位推动转子旋转，反电势一经形成即可依靠闭环回路实现起动。随之而来的问题是，一方面，某些特定相数和极对数的电机存在死区，转子不能被任意的电相位所推动；另一方面，转子可能被反向推动。均导致起动失败。两步顺序起动的方法，即根据所需旋转方向先后给出相邻加电相位，仍不能完全解决这一问题。可靠起动问题限制了该型电机在某些可靠性要求严格或无监控设备的场合的应用，如军用设备、航天领域等。 为发挥达松伐尔型永磁直流电机的优点以改善某军用仪表的性能，作者在研制该型电机的驱动与控制电路时，致力于解决其可靠起动问题，通过定相、牵引、自监视与自复位，结合鉴相调宽型闭环控制线路，实现了该型电机的自主可靠起动。 2驱动与控制 系统不仅要求驱动电路杜绝起动失败的可能，而且要求电机转速稳定度达到10，同时能在其额定转速±10％范围内微调，调速步长小于1 r／min。作者通过频率细分、鉴相调宽、起动检测和自复位实现所需功能和性能。图1为驱动与控制电路的组成框图。 频率设定电路根据所要求的电机转速输出频率高度稳定的脉冲信号作为电机速度脉冲的基准，其频率稳定度同晶体振荡器；同时用十六位同步分频器进行频率微调，以微调电机转速，实现主体仪表的速度调谐。 鉴相调宽电路保证电机速度脉冲频率与设定频率相同。对于频率来说，鉴相器为一无差系统，理论上能使电机的速度稳定度达到晶体振荡器的频率稳定度。 电子换相电路按照电机转动方向所对应的相序依次给出各相加电脉冲，其宽度取决于频率设定电路输出脉冲与电机速度脉冲之问的相位差，决定了馈给电机的电功率。 功放电路用于提高和放大加至电机的电压和电流，使电机获得足够的电功率。 通过反电势检测可确定电机电枢绕组与转子磁极的相对位置，从而决定通电绕组和通电方向，保证电机按照预定的方向旋转。反电势检测电路替代了一般直流无刷电机中的位置传感器，简化了电机结构并提高了可靠性。 由于电机转子磁极对数一定，电枢绕组反电势的频率严格反映了电机转速。速度脉冲形成电路将各相绕组的反电势脉冲倍频并进行逻辑或，不仅获得了电机的实际转速，而且提高了测速精度，有利于提高电机的转速稳定性。速度脉冲一方面作为速度反馈送至鉴相器实现速度闭环控制，另一方面经变换供起动检测电路监视起动过程。 3定相与变频牵引 电机难以可靠起动的根本原因在于无反电势时闭环线路不能形成正确的加电脉冲，定相与变频牵引的本质是在起动初期人为地产生加电脉冲，并使其频率按设定规律变化，此规律尽量接近于正常起动时反电势的频率变化规律。实际工作时，由于此过程的持续时间较短，对两规律的一致性要求并不苛刻。其实现方法参见图2。其中分频分相电路将输入脉冲六分频，并形成互差60°的三相六拍信号。该电路不仅能够严格保证三者的相序，而且保证在任意情况下，其输出均处于六拍之一(不会落入其它两个无效状态)，并在输入脉冲的作用下，由当前拍依次向后续拍变化。
起动过程始于电容C开始充电之时，由此刻起经过时间t1信号S1跳高，再经过时间t信号S2跳高，调节比较器l和2的阈值可调节tl和t2的长度，即定相和变频牵引的持续时间。压控振荡器输出脉冲的频率受电容电压的控制，改变RC时间常数可调节频率变化规律；S2跳高压控振荡器停振。 在时段tl内，S1、S2为低，虽然压控振荡器工作，但S1为低禁止二分频器输出，分频分相器保持于上电时落 入的状态(第一次起动)或上次输入脉冲消失时所处的状态(自复位电路动作后)，控制逻辑按此状态给出一加电相序并持续t1时长，在电磁力的作用下，转子磁极与定子绕组的相对位置即确定，实现定相。 在时段t2内，S1高S2低，S1允许二分频器输出，分频分相器自定相过程所处的状态(拍)起依次输出后续拍，相应地控制逻辑按预定转向依次给出后续加电相序，转子被牵引由初始位置按预定方向转动。随着电容电压的升高，换相频率提高，转子转速随之提高，相应地定子绕组反电势形成。此牵引过程持续t2时长。 随着S2跳高，压控振荡器停振，分频分相器输出静止，控制逻辑切断起动电路与换相电路的联系，起动过程由反电势和速度闭环控制回路继续完成。 4自监视与自复位 定相与变频牵引的起动策略极大地改善了达松伐尔型永磁直流电机的起动可靠性，但这一起动过程本质上仍然是开环的。为适应对可靠性要求苛刻的应用系统如军用和宇航产品的严格要求，将起动过程置于某种监视之下并实现闭环化是解决可靠起动问题的根本出路。其实现方法参见图3。 F／v变换电路将电机转速脉冲实时变换为幅值与其频率对应的电压信号，依据此电压是否超过某一阈值，比较器输出表示电机是否起动的逻辑信号，逻辑O表示已起动。 定时器l和2均为单稳触发器，表示变频牵引过程结束的S2上升沿触发定时器1，延时数秒后(若已起动，此期间电机加速)定时器l的下降沿触发定时器2输出一宽度为数十毫秒的正脉冲，此脉冲能否成为复位信号取决于比较器的输出，若电机未起动，RST产生。 参见图2，RST信号接通起动电容的放电开关，电容放电数十毫秒后开关断开，电容重新充电，电机起动过程重新开始，自复位完成。 起动电路中的有关参数：定相加电和变频牵引过程的持续时间，变频牵引的频率起点和频率变化规律，加速时间和转速判别阈值，它们与速度控制方式、定子绕组的连接方式、轴承静摩擦和电机转子及负载转动惯量有关，需要在调试过程中试验确定。不过大量和反复的试验表明，这种起动方式对上述参数并不敏感，具有相当的适应性，无需针对同一种电机的不同个体加以再调整。同时自监视与自复位电路将起动过程置于闭环检测与控制之中，使该型电机的起动完全去除了对外系统监控的依赖，适应了有关特定系统的要求。 5结束语 使用本文所述起动策略和监控方法的达松伐尔型永磁直流电机驱动与控制电路已应用于某军用角速率测量仪表，使其调谐性能、角动量稳定性、内部温升和逐次漂移重复性等指标较以往采用磁滞电机的产品均有显著改善，并有利于所属惯性系统的调整和性能改善。目前驱动与控制电路已按军标二次集成为模块，使该仪表的使用更为方便，所属系统也更为简洁、可靠。
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