无位置检测器无刷直流电机自寻最佳点切换法

伺服技术 SERVO TECHNIQUE
无位置检测器无刷直流电机自寻最佳点切换法
郝晓辉　(清华大学　北京　100084)
刘昌旭　(西北工业大学)
【摘　要】提出一种新颖的自寻最佳点切换法,解决了反电势换向运行的无位置检测器无刷直流电机控制中存在的由起动段外同步运行到反电势换向自同步运行的切换过程容易失步的问
题。

成功地把它运用于研制的样机中。

【叙　词】/自寻最佳点切换法　/无位置检测器　无刷直流电动机　/切换
THE METHOD FOR BRUSHLESS SENSORLESS DC
MOTOR TO AUTOMATICALLY SEARCH THE BEST
TIME TO CHANGE ITS OPERATION STAGE
【Abstract】In this paper,a new method which per mits the sensor less br ushless mo tor which use the back EM F as the co mmutatio n sig nal auto matically sear ch the best time t o chang e its o per-atio n sta ge fr om a seperat ely co ntro lled synchr ono us o ne t o a self co ntro lled br ushless one is pro-vided.T his method prev ents the st epping o ut pro blem in t he chang ing pro cedure of this moto r.T he
satisfy ing perfo rm ance o f the pr ot oty pe mo to r pro ved that it is a perfect metho d.
【Keywords】metho d of auto-sear ch for the best time to chang e,sensor less,brushless DC mot or,stag e chang e
1　引　言
反电势换向运行的无刷直流电机近年发展很快,在许多方面获得了广泛的应用。

此类电机运行控制中一直存在一个不易解决的问题,它产生于这种电机固有的运行过程。

对于反电势换向运行的电机,它是依据定子绕组中的感应电势与转子位置有确定关系这一原理工作的[1]。

感应电势的幅值与电机转速成正比。

当电机静止或转速较低时,反电势为零或较弱,无法被检测出用以确定转子磁极的空间位置,也就不能用于反电势换流。

这时就需要人为地给电机施加一由低频到高频不断加速的外同步切换信号,使电机以外同步方式由静止逐步加速转动。

当电机反电动势随着转速的升高达到一定值时,通过端电压检测已经能够确知电机转子的位置。

这时即通过计算机将电机由外同步运行方式转换为无刷电机的自同步运行方式。

电机由外同步变频加速运行方式到自同步运行方式间有一转换过程。

国内这种电机一般以一变频振荡器产生变频加速同步切换脉冲,以定时控制电路控制电机从外同步运行状态切换到自同步开环或闭环运行状态。

也就是说其切换方式都是当电机转速达到某一速度时由硬件电路关断外同步信号,立即转入反电动势控制运行阶段。

如文献2、3中的电机都是采用这种方式进行切换。

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微电机　1998年　第31卷　第1期(总第100期)
然而,当反电势控制的换向信号与计算机产生的外同步驱动信号间相位相差过大时,这一切换过程就会出现问题,导致电机失步,进而停转。

目前国内采用的解决办法有二:
(1)通过多次调试确定电机最佳切换速度。

(2)由于许多被控电机转动惯量较大,故一二次失步影响不大,其惯性使电机仍可以顺利运行下去。

这些解决办法不能够确切地掌握外同步到自同步的切换点,都属粗放性控制方法。

即使能避免失步,也必然会导致切换时电机转矩很小,易受干扰。

并且这种方法需要多次测量,会带来繁重的工作量。

2　自寻最佳点切换法
2.1　方法引入
针对反电势换向运行的无位置检测器无刷直流电机中存在的这一问题,为了使电机切换时不致因外同步信号与自同步信号间相位相差过大而导致失步现象发生;确保切换瞬间转矩不致过小而难以抗负载扰动;尽量减少调试工作量;提出一种独特的自寻最佳点切换法。

这一方法的应用基础是电机运行过程应全部由软件控制。

笔者研制了一台用于医疗牙钻的无位置检测器无刷直流电机系统。

该系统以8098单片机为核心,辅以必要的电机功率驱动、反电势检测、过流保护等电路,以最简单的硬件完成了该电机全部性能指标要求。

电机所有运行过程的控制均由软件完成。

起动过程中外同步变频加速信号由计算机根据一延时表格提供,反电势自同步运行过程中,整形后的反电势过零信号的读入、处理及反电势换向信号的产生和输出由计算机按一定的算法实现。

在全数字控制的基础上,成功地实现了自寻最佳点切换方法,保证了电机切换过程的顺利完成,经千次以上实验验证,从未出现失步现象。

2.2　反电势换向的实现
反电势控制的换向信号产生原理:研制的系统中电机功率较小,故采用一相导通星形三相三状态的半桥驱动方式。

反电势信号由三相绕组端部取出,经分压、滤波、整形、隔离后送给8098单片机。

8098根据反电势过零信号延迟30°对应的上跳沿决定三相导通后,立即将三相绕组开通信号送出,经驱动电路控制相应绕组馈电,从而实现反电势换向。

三相反电势信号与对应的绕组开通信号间关系如图1
所示。

图1　反电势换向图
对于单相,绕组工作波形见图2。

图2　绕组工作波形
V c——控制角 V o n——导通角
e a——反电势 U a——绕组两端电压
从图2中可知,V c=30°,即反电势过零点延时30°处对应输出信号的上跳沿。

这一上跳沿触发产生绕组换向信号。

此信号既是一相绕组的开通信号,同时也是另一相绕组的关
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断信号。

起动段的外同步加速信号则由计算机根据一延时表格产生,电机被强制拉入同步。

2.3　方法讨论
反电势接管换向控制的过程如图3
所示。

图3　反电势接管换向过程图
起动后一段时间,系统不断比较应关断的某一相如B 相,其自同步关断时刻与外同步关断时刻间差值。

当这一差值小于某一设
定阈值时,则以反电动势切换信号取代外同步信号进入自同步运行。

设电机正处于外同步运行阶段,则某一次换向后计算机由延时表中数据可推算下一次换向(设下一次换向绕组通断信号为010(A 断B 通C 断))的时刻T 。

若此时电机转速已足够大,则反电势信号已经能够被用来确定转子磁极的空间位置从而决定电机换向。

计算机同时记录反电势换向信号确定的绕组通断信号亦为010(A 断B 通C 断)的时刻T 1,当 T = T -T 1 < ( 为某一阈值)时,允许切换。

因为时间与相角是对应的,因此 T < 就是指相位差 < , 为某一角度值。

这样就避免了由于外同步信号与反电势换向信号间相位失调进而导致电机失步。

同时,通过调节阈值 可以对切换时电机的转矩予以精确控制,并且由于切换点由计算机自动找寻,亦省去了进行多次调试以找寻最佳切换点的繁琐工作。

3　实验验证
这一方法在样机实际起动运行过程中很好地完成了外同步运行到自同步运行的切换。

由于样机转动惯量很小,相位差稍大即会导致失步,而样机的多次实验中从未出现问题,这一点足以证明此方法的有效性及优越性。

对实际运行过程的测试证实采用这种方法后切换时电机转矩增大。

当对阈值不加限制时,此法与国内其它无位置检测器无刷直流电机系统一样,采用到一定转速强行切换的办法,则切换时转矩最大为9.8×10-3N m,且不稳定。

稳定值为7.35×10-3
Nm,电机额定转矩为7.84×10-2Nm ,而取阈值 =5m s 时,电机切换转矩提高到4.45×10-2Nm 稳定值[4]。

4　结　语
从实验结果可见,自寻最佳点切换法在采用全数字控制方式实现电机运行全过程的前提下,可以很好地完成无位置检测器无刷直流电机由外同步起动到反电势自同步运行的切换。

这一方法若应用于中小型无位置检测器无刷直流电动机,相信它们的起动性能指标会有很大的提高。

参　考　文　献
1　T .K enjo ,S.N ag amor i.Per manent-magnet and
Brushless DC M ot or s .1985.
2　贺益康,阮涛.无位置检测器永磁无刷电机的控
制.微电机,1990(4)
3　张英,叶济忠.无位置传感器无刷直流电动机的
锁相稳速系统.微特电机,1994(4)
4　郝晓辉.无位置检测器永磁无刷直流电动机控制
技术研究.西北工业大学硕士论文,1996(2)
(修改稿收到日期:1997—07—22)
郝晓辉:男,1972年12月出生,现在清华大学电机及应用电子技术系攻读博士学位。

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