永磁無刷直流電機(jī)由于其無換向火花,、運(yùn)行可靠,、維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡單,、無勵(lì)磁損耗等眾多優(yōu)點(diǎn),，自20世紀(jì)50年代出現(xiàn)以來，就在很多場合得到越來越廣泛的應(yīng)用,。傳統(tǒng)的永磁無刷直流電機(jī)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。它的存在給直流無刷電機(jī)的應(yīng)用帶來很多不便：首先,，位置傳感器會(huì)增加電機(jī)的體積和成本,；其次，連線眾多的位置傳感器會(huì)降低電機(jī)運(yùn)行的可靠性,，即便是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的霍爾傳感器,，也存在一定程度的磁不敏感區(qū)；再次,，在某些惡劣的工作環(huán)境中,，如在密封的空調(diào)壓縮機(jī)中，由于制冷劑的強(qiáng)腐蝕性,，常規(guī)的位置傳感器根本就無法使用,；此外，傳感器的安裝精度還會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行性能,，增加生產(chǎn)的工藝難度,。針對位置傳感器所帶來的種種不利影響，近一二十年來,，永磁無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制一直是國內(nèi)外較為熱門的研究課題,。從20世紀(jì)70年代末開始,，截至目前為止，永磁無刷直流電機(jī)的無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(jī)性能和應(yīng)用場合出現(xiàn)了不同的控制理論和實(shí)現(xiàn)方法,，如反電勢法、續(xù)流二極管法,、電感法等,。
所謂的無位置傳感器控制，正確的理解應(yīng)該是無機(jī)械的位置傳感器控制,，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中,，作為逆變橋功率器件換向?qū)〞r(shí)序的轉(zhuǎn)子位置信號仍然是需要的，只不過這種信號不再由位置傳感器來提供,，而應(yīng)該由新的位置信號檢測措施來代替,，即以提高電路和控制的復(fù)雜性來降低電機(jī)的復(fù)雜性。所以,，目前永磁無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制研究的核心和關(guān)鍵就是架構(gòu)一轉(zhuǎn)子位置信號檢測線路,，從軟硬件兩個(gè)方面來間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號,，借以觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的功率器件,，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
1 傳統(tǒng)反電動(dòng)勢檢測方法
無刷直流電機(jī)中,，受定子繞組產(chǎn)生的合成磁場的作用,，轉(zhuǎn)子沿著一定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)定子上放有電樞繞組,，因此,，轉(zhuǎn)子一旦旋轉(zhuǎn)就會(huì)在空間形成導(dǎo)體切割磁力線的情況。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知,，導(dǎo)體切割磁力線會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電熱,。所以，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的時(shí)候就會(huì)在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢,，即運(yùn)動(dòng)電勢,，一般稱為反電動(dòng)勢或反電勢。
1．1 傳統(tǒng)反電動(dòng)勢檢測的原理
具有梯形反電動(dòng)勢波形的三相無刷直流電機(jī)主電路,，對于某一相繞組(假設(shè)A相),，其導(dǎo)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(dǎo)
無刷直流電機(jī)的三相端電壓方程：
由于采用兩相導(dǎo)通三相六拍運(yùn)行方式,，任一瞬間只有兩相導(dǎo)通,，設(shè)A相、B相導(dǎo)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(jī)端電壓信號，進(jìn)行比較來間接獲取繞組反電動(dòng)勢信號的過零點(diǎn),，從而確定轉(zhuǎn)子的位置,，故這種方法又稱為“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)過濾波得到檢測信號Ua,、Ub、Uc,，檢測電路的O點(diǎn)與電源負(fù)極相連,，因此式(5)～(7)轉(zhuǎn)化為：
根據(jù)上述結(jié)論，檢測到反電動(dòng)勢過零點(diǎn)后,，再延遲30°即為無刷直流電動(dòng)機(jī)的換相點(diǎn),。但實(shí)際的位置檢測信號是經(jīng)過阻容濾波后得到的，其零點(diǎn)必然會(huì)產(chǎn)生相位偏移,，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行相位補(bǔ)償,。
2 新型檢測方式的提出
針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提出一種電路簡單,、成本低,、恒零相移濾波，無需構(gòu)建虛擬中性點(diǎn),，無需速度估測器和相移校正,，在整個(gè)高轉(zhuǎn)速比的范圍內(nèi)都能保持輸出準(zhǔn)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(gòu)成
本設(shè)計(jì)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刷直流電機(jī)的三相電機(jī)線連接,，R2接地，R1,、R2的連接點(diǎn)作為輸出端,，分別與相應(yīng)線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(yùn)放構(gòu)成,。電容C1并連接于分壓電路R2,。電容C2的一端與運(yùn)放的正輸入端連接并與電容C1的一端連接，另一端與運(yùn)放的負(fù)輸入端連接,。電阻R4的一端與運(yùn)放的負(fù)輸入端連接,，另一端接地。3個(gè)線電壓比較器的正輸入端分別與相應(yīng)分壓電路的輸出端連接,，而負(fù)輸入端分別與相鄰分壓電路的輸出端連接,。各線電壓比較器的輸出分別作為電機(jī)的換相信號。
2．2 電路分析
本設(shè)計(jì)與以往技術(shù)相比,，由于采用了不隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的恒零相移濾波電路,，無需相移校正,，而送到比較器正負(fù)端的電壓是兩路沒有相移的端電壓,，無需構(gòu)建虛擬中性點(diǎn)。比較器檢測到的是線電壓的過零點(diǎn),，這個(gè)過零點(diǎn)正好對應(yīng)電機(jī)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,。在無刷直流電機(jī)高轉(zhuǎn)速比的范圍內(nèi),，無需高速控制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(jié)構(gòu)簡單,，成本低，可以替代霍爾傳感器廣泛應(yīng)用在家電,、計(jì)算機(jī)外設(shè)和電動(dòng)車用等無刷直流電機(jī)上,。
電機(jī)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：
式中ω為電機(jī)運(yùn)行的角速度,。
只要設(shè)計(jì)
，就可以使得濾波前后的相移角度恒為零,，確保端電壓的過零點(diǎn)濾波前后不會(huì)跟隨電機(jī)速度的變化而移動(dòng),，無需相移校正。
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)上就是檢測線電壓的過零點(diǎn)。這個(gè)過零點(diǎn)正好對應(yīng)電機(jī)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。
2．3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
Va,、Vb,、Vc、Vao,、Vbo,、Vco及各換相信號的波形圖略——編者注。
結(jié)語
本文利用無刷直流電機(jī)端電壓設(shè)計(jì)的換相控制電路,，結(jié)構(gòu)簡單,，運(yùn)行可靠。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)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(yīng)用于較高溫,、高壓,、高輻射等傳感器無法勝任的場。不過由于器件自身的局限性,，在一些更加惡劣場合的應(yīng)用還有待測試和改善,。