CN101340169A - 一种三相凸极无刷直流电动机的换相方法及换相装置 - Google Patents

Abstract

一种三相凸极无刷直流电动机的换相方法，首先给电机定子中的两相绕组施加直流电流，使定子绕组产生一个定位磁势，拖动转子进入某一预知的初始位置。而后按照目标旋转方向，导通比转子初始位置超前120°电角度的磁势所对应的两相绕组，当通电电流达到当前两相绕组通电电流初始值时，导通比转子当前位置超前120°电角度的磁势所对应的两相绕组，根据上述换相方法，递推导通比换相点转子位置超前120°电角度的磁势所对应的两相绕组，推动转子朝目标方向旋转。根据上述方法，给出了一种实现装置。本发明的换相方法能准确检测到转子位置的换相点，具有可移植性强，实现简单，且性能可靠等优点。

Description

一种三相凸极无刷直流电动机的换相方法及换相装置

技术领域

本发明涉及一种电机的换相方法及换相装置，特别是一种无位置传感器的三相凸极无刷直流电动机的换相方法及相应的换相装置。

背景技术

为了实现对无刷直流电机的加电控制，电机电压或电机电流在转子的某些特定位置处进行电子换相。在三相无刷直流电机两两通电方式中，每隔120度电角度一个功率开关管关断而切换到下一个功率开关管导通状态，为确保这种换相过程在预定的位置进行换相，电机的当前位置必须是已知的，对于这样的控制方式，通常是利用专门的转子位置传感器如霍尔传感器来检测电机的位置或者是采用开环起动技术实现换相。

无位置传感器无刷直流电动机由于省去了转子位置传感器，使得电机结构简单、体积小、可靠性高。特别是在一些特殊的场合，如当对电机的连线数目有要求时，或者对电机体积限制、位置传感器难以安装时，或当电机工作在恶劣环境中以至于位置传感器工作的可靠性难以保证时，这种无位置传感器的无刷直流电动机更显示出其独特的优越性。

无位置传感器无刷直流电动机在成功起动以后的位置检测方法具有多样性并且实现装置简单，但电机在静止和低速运行时位置检测方法却很少，目前普遍采用开环起动技术实现起动，开环起动技术通常称为“三段式”起动技术，即首先对转子进行预定位，然后采用外同步的方式，使电机逐步加速至预定速度，再切换到自同步方式运行，详细原理分析及实现方法可以参考沈建新于1998年5月在微特电机上发表的文章《无传感器无刷直流电机三段式起动技术的深入分析》。这种起动方法的不足之处在于：首先，转子预定位可靠性差，即当转子的北极在加电磁势方向的反方向时，此时作用到转子上的力矩接近于零，使得初始位置不确定；其次，可移植性差，即针对不同的电机及不同负载情况下都需要重新调整施加电压或者电流的时序；最后，电路调试复杂，即电机施加电压或者电流的时序需要反复试凑才能达到预定的效果。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可移植性强、电路实现简单、性能可靠的三相凸极无刷直流电动机的换相方法及换相装置。

本发明的技术解决方案是：一种三相凸极无刷直流电动机的换相方法，步骤如下：

(1)对三相凸极无刷直流电动机三相绕组中的其中两相施加直流电流，使定子绕组产生一个定位磁势，拖动转子进入预定的初始位置；

(2)根据转子的初始位置、目标旋转方向，对与转子初始位置超前120°电角度的磁势所对应的两相绕组施加直流电流，并记录通电电流初始值；

(3)检测当前通电的两相绕组电流值的变化情况，当绕组中电流值达到步骤(2)所述通电电流初始值时，定子绕组换相，并向比转子当前换相点位置超前120°电角度的磁势所对应的两相绕组施加直流电流；

(4)重复步骤(3)的方法，依次向比转子换相点位置超前120°电角度的磁势所对应的两相绕组施加直流电流，推动转子朝目标方向旋转。

所述步骤(1)和步骤(2)之间还包括排除定位死区的步骤，方法为将加电位置由步骤(1)中所述的电机两相绕组改为超前该位置60°电角度的磁势所对应的两相绕组，而后重复步骤(1)的操作，使转子进入初始位置。

所述步骤(3)中被施加直流电流的两相绕组中电流值的变化规律为：在定子绕组的每一个换相周期内，电流先减小后增大。

一种三相凸极无刷直流电动机的换相装置，包括三相桥功率电路、电流传感器、模数转换电路和控制器，三相桥功率电路接外部电源，控制器控制三相桥功率电路中功率管的关断，为电机提供换相时各通电状态所需的电压，电流传感器采集三相桥功率电路的母线电流，并将采集获得的数字量送入控制器，当控制器检测到三相桥功率电路的母线电流值与换相后第一次的电流采样值相等时，控制三相桥功率电路改变通电状态，从而改变定子磁势，推动转子朝目标方向旋转。

本发明的原理为：三相凸极同步电动机由于转子是凸极结构，所以定子与转子之间的气隙不均匀使定子绕组的自感和互感因定子、转子相对位置的不同而不同，随夹角θ呈周期性变化。因此，可以写出定子绕组每相的自感公式为：

其中，θ是转子轴线北极与定子A相轴线的电角度，L₀是定子绕组自感的平均值，L₂是定子绕组自感的二次谐波幅值。

同理可以写出三相凸极无刷直流电动机定子两相绕组的互感公式为：

根据上述定子绕组的自感和互感公式，经过数学推导，可以得出三相凸极无刷直流电动机定子六个磁势所对应的两相绕组电感与转子位置的函数关系式如下：

表1列出了电机顺时针旋转(以图2中绕组的空间分布为参考)转子位置与定子绕组六个磁势之间的对应关系，表2列出了电机逆时针旋转转子位置与定子绕组六个磁势之间的对应关系。依据上述关系，结合三相凸极无刷直流电动机定子六个磁势所对应的两相绕组电感与转子位置的函数关系式，可以得知电机顺时针和逆时针旋转时每个定子磁势所对应的转子位置区间内电感的变化规律，即：每个磁势所对应的转子位置区间内电感随转子位置先增大后减小，且每个换相点的电感相同。

表1  电机顺时针旋转转子位置与定子绕组六个磁势之间对应关系

表2  电机顺时针旋转转子位置与定子绕组六个磁势之间对应关系

由于电感是无法直接测量的，只有通过间接的方式测量。而定子电感的变化会引起绕组电流的变化，因此，采取测量通电的两相绕组的电流值间接获取电感的变化。现以AB通电状态为例写出由电机电压方程如下，

$U=\mathrm{iR}+L_{A\stackrel{\‾}{B}}\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+e_A-e_B$

其中，U是端电压，R是端电阻，e_A是A相反电势，e_B是B相反电势。

在一个通电区间内，可以认为转速恒定，即e_A、e_B为常数，得到一个通电区间内电流的零状态响应为：

$i=\frac{U-e_A+e_B}{R}(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}})$

其中， $\mathrm{\τ}=\frac{L_{A\stackrel{\‾}{B}}}{R}.$ 由此可以确定定子绕组电流值先减小后增大的变化规律，当母线电流值与换相后的初始加电电流值相等时，即为电机的下一个换相点，从而可以准确换相。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法可以在无位置传感器的情况下实现电机的准确换相，推动转子朝目标方向旋转，从而带动电机转动，操作方法简单，可靠性高；

(2)采取两次预定位的方法，不仅使得寻找初始位置简单，而且排除了定位死区，使得转子可靠进入预定位置；

(3)由于整个换相过程中不涉及任何具体的电参数计算，而仅判断流过三相绕组中通电绕组的电流变化规律而实现换相，换相方法可移植性强；

(4)本发明的换相装置由于只需检测三相桥母线电流的变化即可实现对电机的换相控制，电路结构简单、检测方法可靠。

附图说明

图1为本发明电机换相方法的流程框图；

图2为本发明电机换相方法的转子初始位置定位示意图；

图3为本发明电机换相方法的三相绕组两相通电时电感变化与转子位置之间的关系示意图；

图4为本发明电机换相装置的组成框图；

图5为本发明电机换相装置的三相桥功率电路母线电流和转子位置之间的关系示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明换相方法的流程框图，首先对三相凸极无刷直流电动机三相绕组中的其中两相绕组施加直流电流，使定子绕组产生一个定位磁势，拖动转子进入某一预知的初始位置。而后根据转子的初始位置、目标旋转方向，对与转子初始位置超前120°电角度的磁势所对应的两相绕组加电，并记录此时的通电电流初始值I1。随后检测当前加电的定子两相绕组电流值I2的变化情况，当绕组中电流值I2和电流初始值I1相等时，定子绕组换相，此时加电于比转子当前位置超前120°电角度的磁势所对应的两相绕组，根据上述换相方法，递推加电于比转子位置超前120°电角度的磁势所对应的两相绕组，推动转子朝目标方向旋转。

如图2所示，为本发明电机换相方法的转子初始位置定位示意图，图中N为北极，S为南极，θ为转子轴线北极与定子A相轴线的电角度，

表示绕组电流从A相流入C相所产生的磁势，其他组合类同。起动时转子位置随机分布在圆周上，可以对三相凸极无刷直流电动机三相绕组中的其中两相绕组施加直流电流，使定子绕组产生一个定位磁势，拖动转子进入某一预知的初始位置。图中示意施加磁势转子将向着

的方向转动并且最终转子停留在

方向上，但是由于转子位置是随机的，这时转子位置可能在磁势

的反方向上(图2中虚线所示)，此时定子、转子之间作用力矩为零，转子无法定位在

方向上。因此，再对与磁势

超前60°的磁势

所对应的两相绕组加电后再重复施加磁势

使转子进入初始位置，这样可以排除定位死区，实现转子在空间任意位置拖动到某一预知的初始位置。

如图3所示，为本发明电机换相方法三相绕组两相通电时电感变化与转子位置之间的关系示意图，从图中可以看出，电机顺时针和逆时针旋转时，每个定子磁势所对应的转子位置区间内电感变化规律为：每个磁势所对应转子位置区间内，电感随转子位置变化先增大后减小，且每个换相点的电感相同。

图4为本发明电机换相装置的一种实现框图，其中电流传感器(功率电阻)检测三相桥的母线电流，并将传感器信号经数模转换器(AD7820)转化为数字信号送入控制器(XC2S200-PQ208)中，经过数字信号控制器内部控制输出六路开关信号经三相桥功率电路(IRF640)对三相凸极无刷直流电机进行换相，使得定子绕组中产生旋转磁势，从而拖动转子向目标方向旋转。

如图5所示，为图4中三相桥功率电路母线电流和转子位置之间的关系示意图。由于电感是无法直接测量，只有通过间接的方式测量。而定子电感的变化引起绕组电流的变化，采取测量三相桥功率电路母线电流值间接获取电感的变化。根据图3中每个工作区间的电感变化示意图，由此可以确定定子绕组电流即三相桥功率电路母线电流先减小后增大，当母线电流值与换相后的初始电流值相等时即为电机的下一个换相点，从而实现准确换相。

需要说明的是，本发明不局限于上述实施方式，无论采取任何一种通电时序及任何通电状态作为起始状态，只要利用了母线电流的上述变化规律作为三相凸极无刷直流电动机的换相依据，则均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种三相凸极无刷直流电动机的换相方法，其特征在于步骤如下：

(1)对三相凸极无刷直流电动机三相绕组中的其中两相施加直流电流，使定子绕组产生一个定位磁势，拖动转子进入预定的初始位置；

(2)根据转子的初始位置、目标旋转方向，对与转子初始位置超前120°电角度的磁势所对应的两相绕组施加直流电流，并记录通电电流初始值；

(3)检测当前通电的两相绕组电流值的变化情况，当绕组中电流值达到步骤(2)所述通电电流初始值时，定子绕组换相，并向比转子当前换相点位置超前120电角度的磁势所对应的两相绕组施加直流电流；

(4)重复步骤(3)的方法，依次向比转子换相点位置超前120°电角度的磁势所对应的两相绕组施加直流电流，推动转子朝目标方向旋转。

2、根据权利要求1所述的一种三相凸极无刷直流电动机的换相方法，其特征在于：所述步骤(1)和步骤(2)之间还包括排除定位死区的步骤，方法为将加电位置由步骤(1)中所述的电机两相绕组改为超前该位置60°电角度的磁势所对应的两相绕组，而后重复步骤(1)的操作，使转子进入初始位置。

3、根据权利要求1所述的一种三相凸极无刷直流电动机的换相方法，其特征在于：所述步骤(3)中被施加直流电流的两相绕组中电流值的变化规律为：在定子绕组的每一个换相周期内，电流先减小后增大。

4、一种三相凸极无刷直流电动机的换相装置，其特征在于包括：三相桥功率电路、电流传感器、模数转换电路和控制器，三相桥功率电路接外部电源，控制器控制三相桥功率电路中功率管的关断，为电机提供换相时各通电状态所需的电压，电流传感器采集三相桥功率电路的母线电流，并将采集获得的数字量送入控制器，当控制器检测到三相桥功率电路的母线电流值与换相后第一次的电流采样值相等时，控制三相桥功率电路改变通电状态，从而改变定子磁势，推动转子朝目标方向旋转。

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