【導讀】永磁無(wú)刷直流電機由于其無(wú)換向火花、運行可靠、維護方便、結構簡(jiǎn)單、無(wú)勵磁損耗等眾多優(yōu)點(diǎn)，自 20 世紀 50 年代出現以來(lái)，就在很多場(chǎng)合得到越來(lái)越廣泛的應用。傳統的永磁無(wú)刷直流電機均需一個(gè)附加的位置傳感器，用以向逆變橋提供必要的換向信號。
永磁無(wú)刷直流電機由于其無(wú)換向火花、運行可靠、維護方便、結構簡(jiǎn)單、無(wú)勵磁損耗等眾多優(yōu)點(diǎn)，自 20 世紀 50 年代出現以來(lái)，就在很多場(chǎng)合得到越來(lái)越廣泛的應用。傳統的永磁無(wú)刷直流電機均需一個(gè)附加的位置傳感器，用以向逆變橋提供必要的換向信號。它的存在給直流無(wú)刷電機的應用帶來(lái)很多不便：首先，位置傳感器會(huì )增加電機的體積和成本；其次，連線(xiàn)眾多的位置傳感器會(huì )降低電機運行的可靠性，即便是現在應用最為廣泛的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區；再次，在某些惡劣的工作環(huán)境中，如在密封的空調壓縮機中，由于制冷劑的強腐蝕性，常規的位置傳感器根本就無(wú)法使用；此外，傳感器的安裝精度還會(huì )影響電機的運行性能，增加生產(chǎn)的工藝難度。
針對位置傳感器所帶來(lái)的種種不利影響，近一二十年來(lái)，永磁無(wú)刷直流電機的無(wú)位置傳感器控制一直是國內外較為熱門(mén)的研究課題。從 20 世紀 70 年代末開(kāi)始，截至目前為止，永磁無(wú)刷直流電機的無(wú)位置傳感器控制已大致經(jīng)歷了 3 個(gè)發(fā)展階段，針對不同的電機性能和應用場(chǎng)合出現了不同的控制理論和實(shí)現方法，如反電勢法、續流二極管法、電感法等。
所謂的無(wú)位置傳感器控制，正確的理解應該是無(wú)機械的位置傳感器控制，在電機運轉的過(guò)程中，作為逆變橋功率器件換向導通時(shí)序的轉子位置信號仍然是需要的，只不過(guò)這種信號不再由位置傳感器來(lái)提供，而應該由新的位置信號檢測措施來(lái)代替，即以提高電路和控制的復雜性來(lái)降低電機的復雜性。所以，目前永磁無(wú)刷直流電機無(wú)位置傳感器控制研究的核心和關(guān)鍵就是架構一轉子位置信號檢測線(xiàn)路，從軟硬件兩個(gè)方面來(lái)間接獲得可靠的轉子位置信號，借以觸發(fā)導通相應的功率器件，驅動(dòng)電機運轉。
1 、傳統反電動(dòng)勢檢測方法
無(wú)刷直流電機中，受定子繞組產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)的作用，轉子沿著(zhù)一定的方向轉動(dòng)。電機定子上放有電樞繞組，因此，轉子一旦旋轉就會(huì )在空間形成導體切割磁力線(xiàn)的情況。根據電磁感應定律可知，導體切割磁力線(xiàn)會(huì )在導體中產(chǎn)生感應電熱。所以，在轉子旋轉的時(shí)候就會(huì )在定子繞組中產(chǎn)生感應電勢，即運動(dòng)電勢，一般稱(chēng)為反電動(dòng)勢或反電勢。
1．1 傳統反電動(dòng)勢檢測的原理
具有梯形反電動(dòng)勢波形的三相無(wú)刷直流電機主電路，對于某一相繞組（假設 A 相），其導通時(shí)刻的基本電路原理圖如圖 1 所示。
1．2 反電動(dòng)勢的推導
無(wú)刷直流電機的三相端電壓方程：
由于采用兩相導通三相六拍運行方式，任一瞬間只有兩相導通，設 A 相、B 相導通，且 A+，B-，則 A、B 兩相電流大小相等，方向相反，C 相電流為零。
式（5）即為 C 相反電動(dòng)勢檢測方程。
同理，A 和 B 相反電動(dòng)勢檢測方程為：
但是實(shí)際上，繞組的反電動(dòng)勢難以直接測取，因此，通常的做法是檢測電機端電壓信號，進(jìn)行比較來(lái)間接獲取繞組反電動(dòng)勢信號的過(guò)零點(diǎn)，從而確定轉子的位置，故這種方法又稱(chēng)為“端電壓法”。
基于端電壓的反電動(dòng)勢檢測電路如圖 2 所示，將端電壓 Ua、Ub、Uc 分壓后，經(jīng)過(guò)濾波得到檢測信號 Ua、Ub、Uc，檢測電路的 O 點(diǎn)與電源負極相連，因此式（5）～（7）轉化為：
根據上述結論，檢測到反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)后，再延遲 30°即為無(wú)刷直流電動(dòng)機的換相點(diǎn)。但實(shí)際的位置檢測信號是經(jīng)過(guò)阻容濾波后得到的，其零點(diǎn)必然會(huì )產(chǎn)生相位偏移，實(shí)際應用時(shí)必須進(jìn)行相位補償。
2、 新型檢測方式的提出
針對以上現有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提出一種電路簡(jiǎn)單、成本低、恒零相移濾波，無(wú)需構建虛擬中性點(diǎn)，無(wú)需速度估測器和相移校正，在整個(gè)高轉速比的范圍內都能保持輸出準確換相信號。該換相信號與霍爾傳感器輸出的換相信號完全一致，無(wú)需高速控制 IC，可以直接使用與霍爾傳感器相配套的低價(jià)控制 IC。
2．1 電路構成
本設計采用方案包括 3 個(gè)分壓電路、3 個(gè)恒零相移濾波電路和 3 個(gè)線(xiàn)電壓比較器，如圖 3 所示。其特征在于 3 個(gè)分壓電路分別由兩個(gè)電阻 R1、R2 串聯(lián)，其 R1 的一端作為輸入端分別無(wú)刷直流電機的三相電機線(xiàn)連接，R2 接地，R1、R2 的連接點(diǎn)作為輸出端，分別與相應線(xiàn)電壓比較器的正確輸入端連接；3 個(gè)恒相移濾波電路分別由兩個(gè)電阻 R3、R4，兩個(gè)電容 C1、C2 和一個(gè)集成運放構成。電容 C1 并連接于分壓電路 R2。電容 C2 的一端與運放的正輸入端連接并與電容 C1 的一端連接，另一端與運放的負輸入端連接。電阻 R4 的一端與運放的負輸入端連接，另一端接地。3 個(gè)線(xiàn)電壓比較器的正輸入端分別與相應分壓電路的輸出端連接，而負輸入端分別與相鄰分壓電路的輸出端連接。各線(xiàn)電壓比較器的輸出分別作為電機的換相信號。
2．2 電路分析
本設計與以往技術(shù)相比，由于采用了不隨電機轉速變化的恒零相移濾波電路，無(wú)需相移校正，而送到比較器正負端的電壓是兩路沒(méi)有相移的端電壓，無(wú)需構建虛擬中性點(diǎn)。比較器檢測到的是線(xiàn)電壓的過(guò)零點(diǎn)，這個(gè)過(guò)零點(diǎn)正好對應電機的換向點(diǎn)，因此，輸出的換相信號與霍爾傳感器輸出的換相信號完全一致。在無(wú)刷直流電機高轉速比的范圍內，無(wú)需高速控制 IC，可以直接使用與霍爾傳感器相配套的低價(jià)控制 IC，電路結構簡(jiǎn)單，成本低，可以替代霍爾傳感器廣泛應用在家電、計算機外設和電動(dòng)車(chē)用等無(wú)刷直流電機上。
電機三相端電壓 Va、Vb、Vc 經(jīng) 3 個(gè)分壓電路和恒零相移濾波電路后，得到幅值減小的平滑端電壓 Vao、Vbo、Vco，濾波前后每一相端電壓的相移角度φ為：
相鄰兩相的恒零相移端電壓送到比較器后，比較器比較的是兩相端電壓，實(shí)質(zhì)上就是檢測線(xiàn)電壓的過(guò)零點(diǎn)。這個(gè)過(guò)零點(diǎn)正好對應電機的換相點(diǎn)，因此，比較器輸出的換相信號與霍爾傳感器輸出的換相信號完全一致。
結語(yǔ)
本文利用無(wú)刷直流電機端電壓設計的換相控制電路，結構簡(jiǎn)單，運行可靠。經(jīng)過(guò)實(shí)驗證實(shí)，此電路輸出的換相信號與霍爾傳感器輸出的換相信號完全一致，從而在一定程度上可以替代霍爾傳感器，并可應用于較高溫、高壓、高輻射等傳感器無(wú)法勝任的場(chǎng)。不過(guò)由于器件自身的局限性，在一些更加惡劣場(chǎng)合的應用還有待測試和改善。
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