無刷直流電動機起動方法及其仿真
李玉忍，陳志磊
(西北工業大學，陜西西安710072)
摘要：介紹了一種適合于負載情況下，基于DSP的三相導通升頻升壓同步無傳感器無刷直流電動機的起動方法，并進行了仿真驗證，證明該方法在無刷直流電動機帶載情況下，電動機起動穩定和可靠，系統運行性能良好。
關鍵詞：無刷直流電動機；無傳感器；三相導通升頻升壓起動；仿真
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)06—0016—03
0前言
無傳感器無刷直流電動機的起動一直是工程領域的難題，電動機轉子位置信息的獲取方法有多種，而通過反電動勢獲取轉子位置信息是最簡便易行的。但是無刷直流電動機在起動時，因無法檢測反電動勢，致使電動機起動往往失敗。這里介紹由DSP控制的三相導通升頻升壓同步起動法，可以較好地解決這一問題[1-2]。
1三相導通升頻升壓同步起動法
三相導通是在兩相導通的方式下增加一個導通相來提高電動機在起動時的輸出轉矩。通常無刷直流電動機工作在120。電角度方式，這種方式下提供的輸出轉矩有限，當電機重載或過載起動時，可能會因無法提供足夠的輸出轉矩帶動負載，而導致電機起動時間過長，增大損耗。為了解決這一問題，可以采用增大導通角的方法來實現三相同時導通，從而增加轉矩的輸出。其實現原理如下：
如圖1所示，如果采用120。PWM方式，即每隔60。電角度換相一次，每個功率管的通電角度為120。，各功率管的導通順序為GlG2，G2G3，G3G4,G4G5，G5G6，G6G1。當功率管cl和G2導通時，電流從G1流經a相繞組，再經過c相繞組和G2，最后回到電源。以流人繞組電流產生的轉矩為正方向，可得合成轉矩為√3T0。其余各功率管換相導通時，合成轉矩大小仍為√3T0，只是方向依次旋轉60。。若將各相通電相位提前為0。～30。之間，通電角度擴大到120。～180。之間時，無刷直流電動機的轉矩和輸出功率都會提高。
無刷直流電動機在120。通電輸出不足的情況下，為了增加輸出，可采用通電相位提前30。，通電角度120。+2×30。PWM方式。各功率管導通順序為G1G2G3， G2G3c4, G3G4G5, G4G5G6,GSG6G1，G6GIG2。當0相通電相位提前30。，通電角度擴大到180。，亦即GSG6GI導通時，電流分別經過G1、a相繞組和G5、c相繞組(此n、c相繞組并聯再經過b相和G6后流回電源。無刷直流電動機與直流電動機近似等效，轉矩方程為T=KTφI，若忽略電樞反應，則φ為常數，又因為a、c相繞組并聯，故a、c相繞組電流分別是b相的1/2，可求得合成轉矩大小為1．5Tc方向與a相成60。夾角。其余各功率管換相導通時，合成轉矩大小仍為1．5T0，方向依次旋轉60。。120。+2 x30。PwM方式時總電流，即b相電流為120。PWM方式時的4/3倍，轉矩為120。PwM方式時的2√3/3倍。無刷直流電動機的繞組電阻和電感都很小，故無刷直流電動機相對120。PwM方式時的輸出功率和轉速也會增加。
無傳感器無刷直流電機通過增大導通角實現三相同時導通以增加轉矩輸出的同時，再配合升頻升壓同步起動方式來起動，克服了通常無刷直流電動機起動時不易檢測到反電動勢的缺點，無傳感器無刷直流電動機能夠大轉矩起動。升頻升壓同步起動的原理是由DsP本身自帶的事件管理器產生PwM波形控制逆變器。首先利用寄存器存放換相時間，開始令電機的換相頻率非常小，電機進入同步狀態，然后采用開環控制的方式，電機的換相頻率逐漸增大，這樣就使電機在同步狀態下實現了變頻起動。開始給無刷直流電動機的定子一個很小的電壓值，然后修改比較寄存器的值，使PWM波形的脈沖寬度不斷增大，這樣加在定子端的等效電壓就逐漸增大，從而也就實現了電機定子的逐漸升壓。等到電機定子上的電壓足夠大時，即電機轉子達到一定速度，能使系統檢測到反電動勢，此時就可以適時地將電機切換到反電動勢檢測控制的正常閉環運行狀態，完成電動機的起動過程[3-4]。
2數學模型
在忽略轉子影響，認為互感是常數，與轉子位置無關情況下，由電機定子繞組在理想狀態下星型三相對稱連接時的方程得出電機三個狀態方程：
式中：B為阻尼系數，J為電機的轉動慣量，T1為負載轉矩[7]。
3仿真模型的建立
根據式(1)～式(3)，可以方便地搭建出無刷直流電動機控制系統的仿真模型[5-6]。圖2是整個控制系統模塊圖。
3.1無刷直流電動機模塊
根據狀態方程式，利用simulink中的數學運算模塊和自編函數，建立電機仿真模型，如圖3所示。
3.2轉矩與轉速模塊
由電磁轉矩方程式可得轉矩輸出的仿真模塊，如圖4所示。三個輸入端輸入三相相電流，三相相電流與相應的反電動勢系數相乘，求和后便得到無
刷直流電機的電磁轉矩。轉速模塊則由電機的運動狀態方程式通過simulink中的數學運算模塊較易搭建，如圖4右半部分所示。圖5為無刷直流電動機模塊與轉矩轉速模塊連接圖。
3．3逆變器模塊
逆變器模塊用1)SB提供的三對MOsFET功率
開關器件，各自反并續流二極管，構成三相逆變橋。驅動控制模塊根據無刷電動機的運行原理，通過轉子旋轉的角度，在換相時刻觸發功率器件的導通和關斷，產生方波電流輸出[7-8]。
4仿真結果
仿真實驗電機參數如下：定子繞組電阻R=4．765Ω，定子繞組自感L=O．014 H，互感M=0．009 H，轉動慣量，=1．7 N·m，額定電壓u=300V，額定轉速n=500r／min。根據建立的仿真模型采用三相導通升頻井壓同步起動方法，在空載和加入0．5 N·m轉矩負載的情況下進行實驗，得到的波形如圖6～圖9所示。
結語
通過仿真波形可以看，出用三相導通升頻升壓同步起動法起動無刷直流電動機，能夠達到較快的響應速度和較大的轉矩輸出，且起動穩定可靠，系統運行性能良好，非常適合帶載情況下無刷直流電動機的起動。當然為了降低開關損耗和開關噪聲，同時能更好地避免出現同一橋臂兩個功率管同時導通，發生短路的情況，可以根據電機的具體參數和性能指標進行實驗，選出最合適的值。一般無刷直流電動機獲得****轉矩和輸出功率時的通電相位****值為15。～20。，通電角度****值為150。～160。。
|
