一种缩短无刷直流电动机换相续流时间的有效方法
摘要：详细分析了无刷直流电动机换相续流过程以及由此带来的危害，阐述了过长的换相续流时间导致无位置传感器无法准确检测位置信号以及增大换相转矩脉动等问题，提出了一种缩短换相续流时间和减小转矩脉动的有效方法。通过仿真和实验证明了该方法可以有效缩短换相续流时间和减小转矩脉动，从而避免了无位置传感器因检测不到位置信号而导致的电机失步现象，进一步提高系统稳定性。 l引 言 无刷直流电动机具有体积小、重量轻、结构简单、维护方便、高效、易于控制等一系列优点，已广泛用于家用电器、伺服系统、机器人控制等领域。 无刷直流电动机无位置传感器技术从根本上解决了传感器难于安装和需要维护的弊病，同时大大降低了系统成本。为此，国内外许多学者致力于无刷直流电动机无位置传感器控制方法的研究。然而，无刷直流电动机的换相续流将引起转矩脉动，影响无位置传感器对位置信号的检测，而且过长的续流时间会引起无位置传感器检测不到位置 信号，从而导致电机失步。因此，过长的换相续流时间制约了无刷直流电动机无位置传感器技术的发展。对于换相续流转矩脉动问题，很多学者已进行了深入研究，并提出了许多解决方法，而对于过长续流时间引起无位置传感器检测不到位置信号而导致电机失步现象，还没有文献报道有效预防措施。本文深入分析了换相续流产生的原因以及由此引起的转矩脉动，在此基础上提出了一种缩短换相续流时间和减小转矩脉动的有效方法，通过仿真和实验证明了此方法是有效的，从而避免了无位置传感器因检测不到位置信号而导致的电机失步现象，提高了系统的稳定性。 2换相续流引起转矩脉动的分析 图1为无刷直流电动机的等效主电路图。具有梯形反电势的无刷直流电动机采用120。二二导通方式。图中V1～V6为开关管；L为串联电感；R为分布电阻；ea、eb、ec分别表示每相的反电势；UN示电机定子绕组中心点对地电压；Ua、Ub、Uc分别表示每相输出端对地电压；Ed表示直流母线电压。 图2为换相时刻电流变化示意图。图中，I0为电流峰值；keωm为反电势峰值；t为换相续流时间；tc为换相续流结束时间。 假设a相换相续流时间和6相电流上升时间都为tc，c相电流ic没有波动，转速ωm恒定。则由图2可知，导通区间的电流和反电势如下：
无刷直流电动机转矩表达式： 将式(1)代人式(2)得到换相前转矩：Te=2keIo (3)从式(3)中可以看出，电机转矩为一恒定值。 由图2可知，换相时刻相电流和反电势表达式如下： 将式(4)代入式(2)得到换相时刻转矩： 式(5)中，Ti为恒定转矩，Ttc为换相续流转矩脉动。从式(5)中可以看出，换相续流转矩脉动随换相时间的变化而变化。对Ttc求导得：
图3为根据Ttc得的换相时刻转矩脉动示意图。从图可以看出，在tc/2处转矩脉动最大。 根据式(8)，由于转速ωm恒定，换相时刻转矩脉动只与换相续流时间tc有关，换相续流时间越长，换相转矩脉动越大。因此，为了减小换相转矩脉动，应该尽量缩短续流时间。 图4a为续流时间较短时端电压和相电流波形，图4c为相应转矩脉动，图4b为续流时间较长时端电压和相电流波形，图4d为相应转矩脉动。图4b换相续流时间大于图4a换相续流时间，相应地，图4d换相转矩脉动大于图4c换相转矩脉动。仿真波形证明了上述分析的正确性。 （a） (b) (c) （d） 图4不同换相续流时间仿真图 仿真图中换相续流时间和开通相相电流上升时间不相等，非换相相电流在换相时刻有一个凹坑。因此，实际转矩脉动要比理想情况下大一些。 3缩短换相续流时间和减小转矩脉动的有效方法 无刷直流电动机采用120°两两导通方式时，有五种类型的PWM调制方式。本文采用上管PWM斩波、下管恒通的控制方式进行分析、仿真及实验。
图5为换相时刻等效电路图。图中D为斩波占空比。由图5解得相电流如下：
图6为换相续流仿真图。其中图6a为端电压和相电流波形；图6b为转矩脉动波形。相电流在换相时刻有一个续流凹坑，电机输出转矩在每次换相时有换相转矩波动。 (a) (b) 图6换相续流仿真图 无位置传感器检测技术一般通过检测端电压获取反电势过零点信号，过长的续流将影响位置信号的检测。由于换相续流导致图6a中端电压下降沿脉冲的丢失，反电势过零点也同时丢失。在这种情况下使用无位置传感器检测技术，必然因为检测不到位置信号而导致电机失步，因此，应尽量缩短续流时间。 本文提出一种缩短换相续流时间的有效方法，具体分析如下。 在图2所示换相时刻，强制关断c相下管，则c相电流ic通过上管反并联二极管续流，6相按原来方式进行PWM斩波。这样处理后，换相时刻把直流母线电压Ed反向加在U、U两端，加快储存在a相电感La上能量释放，从而缩短a相续流时间。换相时刻等效电路如图7所示。 由图7解得相电流如下：
文献[8]指出，通过增大换相时刻非换相相占空比可以有效减小转矩脉动。换相时刻增大上管PWM斩波占空比，使D=1，代入式(10)得相电流如下：
比较式(9)和式(11)可以看出，式(11)中ia项变量t的系数大于式(9)中i0项t的系数，这样，式(11)中口相电流从，n减小到0的时间小于式(9)的时间。因此，上管换相时刻强制关断下管，只留上面一个管子开通，同时增大PWM占空比，可以有效缩短换相续流时间。 图8为换相时刻强制关断下管并且加大占空比后仿真波形。图中端电压下降沿续流时间缩短，换相转矩脉动减小，从而达到了预期控制效果。 (a) (b) 图8强制缩短续流仿真图 4实验结果 根据上述分析，以松下5CSl02x型室外空调压缩机为实验对象，采用上管PWM斩波，下管恒通的控制方式进行实验。图9a为没有采用缩短续流时间之前的端电压和相电流波形。图9b为采用缩短换相续流时间和补偿占空比后端电压和相电流波形。 实验中，下管换相时由于不参加换相的上管进行PWM斩波，换相过程中关断了一段时间，因此加速了下管换相的续流时间。图9a中端电压上升沿续流脉冲明显小于端电压下降沿续流凹坑，说明下管换相比上管换相续流时间短。实验只需对上管换相进行处理，简化控制算法。 由图9b可知，采用缩短换相续流时间和补偿占空比后，换相续流过程明显缩短，电流换相凹坑也同时减小。 (a) (b) 图9端电压和相电流实验波形 需要指出的是，本文实验所用电机定子电感不是很大，由于实验条件所限，实验电流也不是很大，因此换相续流现象不是特别明显。对于定子电感很大的电机，在重载运行下，续流时间会超过30°，这样会淹没反电势过零点，此时采用无位置传感器检测技术，因检测不到位置信号而导致电机失步。采用本技术后，可以避免无位置传感器因检测不到位置信号而导致的电机失步现象，提高了系统的稳定性。
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