永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)磁極位置檢測(cè)方法

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)磁極位置檢測(cè)方法

無(wú)刷永速機(jī)具有運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損失、性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)營(yíng)可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，它被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、儀器儀表、化工、輕油、家用電器等領(lǐng)域。檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置,以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確換相使永磁直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部分。以下就介紹幾種較實(shí)用的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換相方法。1轉(zhuǎn)子磁極換相控制位置傳感器在永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用,為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息,即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),然后去控制定子繞組換相。1.1系統(tǒng)開(kāi)口式電路設(shè)計(jì)電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其位置測(cè)量作用的,有開(kāi)口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開(kāi)關(guān)等多種類型。其中用得較多的是開(kāi)口變壓器,原理如圖1所示。它由定子和跟蹤轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子一般有六個(gè)極,它們之間間隔60°,其中三個(gè)極繞上一次繞組,并相互串聯(lián)后通以高頻電流(一般的頻率為幾千赫到幾十千赫),另外三個(gè)極分別繞上二次繞組WA、WB、WC。它們之間相隔120°。跟蹤轉(zhuǎn)子是一個(gè)用非導(dǎo)磁材料做成的圓柱體,并在它上面鑲上一塊120°的扇形導(dǎo)磁材料,如圖1中涂黑的扇形片所示。在安裝時(shí)將它同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連,其位置對(duì)應(yīng)于某一個(gè)磁極。當(dāng)跟蹤轉(zhuǎn)子如圖中所示位置時(shí),一次繞組所產(chǎn)生的高頻磁通通過(guò)跟蹤轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)磁材料耦合到繞組上WA,故在WA上產(chǎn)生感應(yīng)電壓UA,而在另外兩相二次繞組WB、WC上由于無(wú)耦合回路同一次繞組相連,其感應(yīng)電壓UB、UC基本上為零。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng),跟蹤轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁扇形片也跟著旋轉(zhuǎn),使之逐步離開(kāi)繞組WA而向繞組WB靠近(假定為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)),從而使其二次電壓UA下降,UB上升。就這樣,隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng),在開(kāi)口變壓器上分別依次感應(yīng)出電壓UA、UB、UC。由于開(kāi)口變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,目前得到了廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)開(kāi)口變壓器時(shí),一般要求把它的繞組同振蕩電源結(jié)合起來(lái)同一考慮,以便得到較好的輸出特性。接近開(kāi)關(guān)式位置傳感器主要由諧振電路及扇形金屬轉(zhuǎn)子兩部分組成,當(dāng)扇形轉(zhuǎn)子接近振蕩回路電感L時(shí),使得該電路的Q值下降,導(dǎo)致電路正反饋不足而停振,故輸出為零。扇形金屬轉(zhuǎn)子離開(kāi)電感元件L時(shí),電路的Q值開(kāi)始回升,電路又重新起振,輸出高頻調(diào)制信號(hào),它經(jīng)二極管檢波后,取出有用位置信號(hào),去控制邏輯開(kāi)關(guān)電路,以保證電動(dòng)機(jī)正確換相。電磁式位置傳感器具有輸出信號(hào)大、工作可靠、壽命長(zhǎng)、使用環(huán)境要求不高、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和緊湊等優(yōu)點(diǎn);但這種傳感器信噪比較低,體積較大,同時(shí)其輸出波形為交流,一般需經(jīng)整流、濾波后方可應(yīng)用。1.2轉(zhuǎn)子磁極檢測(cè)這種傳感器是利用光電效應(yīng)制成的,由跟隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動(dòng)的光源及光敏晶體管等部件組成,如圖2所示。遮光板Z開(kāi)有120°電角度左右的縫隙,且縫隙的數(shù)目等于直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的極對(duì)數(shù)。當(dāng)縫隙對(duì)著光敏晶體管VP1時(shí),光源射到光敏晶體管VP1上,產(chǎn)生“亮電流”輸出。光敏晶體管VP2和VP3因遮光板擋住光線,只有“暗電流”輸出。在“亮電流”作用下,三相繞組中一相繞組將有電流導(dǎo)通,其余兩相不工作。遮光板隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),光敏晶體管隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而輪流輸出“亮電流”或“暗電流”的信號(hào),以此來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置,控制電動(dòng)機(jī)定子三相繞組輪流通電,使該三相繞組按一定順序通電,保證直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。光電式位置傳感器性能較穩(wěn)定,但存在輸出信號(hào)信噪比較大、光源燈泡壽命短、使用環(huán)境要求較高等缺陷,若采用新型光電元件,可克服這些不足之處。1.3轉(zhuǎn)子不同狀態(tài)的換相過(guò)程分析磁敏式位置傳感器是指它的某些電參數(shù)按一定規(guī)律隨周?chē)艌?chǎng)變化的半導(dǎo)體敏感元件。其基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。目前,常見(jiàn)的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻器及磁敏二極管等多種。它們具有不同的特性,如圖3所示。磁敏元件的主要工作原理是電流的磁效應(yīng),磁敏式位置傳感器也是由定子和跟蹤轉(zhuǎn)子兩部分組成。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中常采用霍爾元件作位置傳感器。定子由一組霍爾元件及導(dǎo)磁體組成,霍爾元件數(shù)一般與繞組相數(shù)相等,也可能比繞組相數(shù)少一半。其工作原理如圖4。圖4中所示位置傳感器是由兩個(gè)霍爾元件組成,它可用于開(kāi)關(guān)狀態(tài)下四相半控電路的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),并可控制正反轉(zhuǎn)?，F(xiàn)假定圖4中的Q1為高電平,Q2為低電平,這時(shí)與非門(mén)Db不通,與非門(mén)Da開(kāi)通,電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。兩個(gè)霍爾元件H1、H2以90°電角度間隔安置于定子繞組A-A′和B-B′的軸線上,作為位置傳感器定子。電動(dòng)機(jī)本體的定子繞組由四個(gè)彼此成90°電角度間隔的集中線圈構(gòu)成。在這里,轉(zhuǎn)子磁鋼既作為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極,同時(shí)又作為霍爾元件的勵(lì)磁磁場(chǎng)的磁極即位置傳感器的轉(zhuǎn)子?；魻栐妮敵鲂盘?hào)經(jīng)邏輯處理后加在與定子繞組相聯(lián)的功率開(kāi)關(guān)晶體管的基極上。下面來(lái)分析它的換相過(guò)程。圖4(b)中示出四種狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子磁鋼的位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于圖4(b)的1所示位置時(shí),轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)通過(guò)霍爾元件H1,那么霍爾元件H1便有霍爾電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生,其輸出X1為正電壓,經(jīng)門(mén)電路Da和Db后,使功率晶體管V1導(dǎo)通,給定子繞組A-A′饋電,它的電流與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用,使轉(zhuǎn)子以順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)90°電角度;此時(shí),轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)通過(guò)霍爾元件H2(見(jiàn)圖4(b)的2),于是H2產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢(shì),其輸出Y1為高電平,經(jīng)門(mén)電路Da和Db后使功率晶體管V2導(dǎo)通,給定子繞組B-B′饋電,轉(zhuǎn)子又以順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)90°電角度;到了圖4(b)的3所示的位置,此時(shí),雖然轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)仍通過(guò)霍爾元件H1,但磁場(chǎng)方向改變了,原來(lái)相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鋼的N極,而現(xiàn)在它相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鋼的S極,所以它所產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢(shì)也要改變方向,其輸出X2為高電平,X1為低電平,經(jīng)門(mén)電路Da和Db后使功率晶體管V3導(dǎo)通,給定子繞組C-C′饋電,使轉(zhuǎn)子又以順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)90°電角度;同樣,轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)再次通過(guò)霍爾元件H2,如圖4(b)的4所示位置,這時(shí)Y2變?yōu)楦唠娖?而Y1仍為低電平,它經(jīng)門(mén)電路Da和Db后使功率晶體管V4導(dǎo)通給定子繞組饋電,使轉(zhuǎn)子回到起始狀態(tài),以后又重復(fù)上述動(dòng)作。這樣,定子繞組依次饋電,它產(chǎn)生跟隨轉(zhuǎn)子的跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),于是電動(dòng)機(jī)就會(huì)連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)起來(lái)。當(dāng)圖4中的Q1變?yōu)榈碗娖?Q2變?yōu)楦唠娖綍r(shí),則與非門(mén)Da關(guān)閉,與非門(mén)Db開(kāi)通。這時(shí)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn),如圖(4)c所示。2電機(jī)的反電勢(shì)梯度控制在方波永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中,繞組的反電勢(shì)是正負(fù)交變的梯形波,當(dāng)某相繞組的反電勢(shì)過(guò)零時(shí),轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組軸線重合。因此只要檢測(cè)到各項(xiàng)反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn),延遲30度的電角度,就可獲得對(duì)應(yīng)的換相時(shí)刻,這就是反電勢(shì)法檢測(cè)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置換相的工作原理。如圖5所示。為使永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有準(zhǔn)確的換相邏輯,以達(dá)到最大電磁轉(zhuǎn)矩,應(yīng)合理控制逆變器的觸發(fā)時(shí)序,使相電流和反電勢(shì)的相位一致,在反電勢(shì)波形的平頂部分導(dǎo)通該項(xiàng)繞組。由電機(jī)學(xué)原理知,永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為:Te=pω(eaia+ebib+ecic)Τe=pω(eaia+ebib+ecic)其中:p為極對(duì)數(shù),ω為電氣角速度。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí),以A相反電勢(shì)和相電流波形為例,t0、t3時(shí)刻為反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻,延時(shí)30電角度,到t1、t4時(shí)刻A相繞組開(kāi)始導(dǎo)通,t2、t5時(shí)刻關(guān)斷,使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)最大電磁轉(zhuǎn)矩的邏輯換相。采用反電勢(shì)法實(shí)現(xiàn)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)換相是目前電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì),但由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在靜止或低速時(shí)反電勢(shì)為零或很小,無(wú)法用來(lái)判斷轉(zhuǎn)子位置,因此反電使法需要采用特殊的起動(dòng)技術(shù)。我們這里采用一種三段式起動(dòng)技術(shù),方法為:在電流控制器保證電流不超過(guò)最大值的前提下,將電機(jī)任意兩相導(dǎo)通一段時(shí)間,轉(zhuǎn)子會(huì)到達(dá)與導(dǎo)通狀態(tài)對(duì)應(yīng)的位置,然后按照指定電機(jī)轉(zhuǎn)向?qū)⒂|發(fā)信號(hào)輸給逆變器功率器件,調(diào)節(jié)每狀態(tài)的延遲時(shí)間,同時(shí)通過(guò)PWM提高外加電壓,使電機(jī)加速,以得到有效的轉(zhuǎn)子位置信號(hào),此時(shí)的電機(jī)處在它控式同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。最后用轉(zhuǎn)子位置信號(hào)切換同步信號(hào),返回?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。信號(hào)的切換狀態(tài)非常重要,它必須滿足以下條件