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郝曉輝 (清華大學北京100084)
劉昌旭 （西北工業大學）
【摘 要】提出一種新穎的自尋****點切換法，解決了反電勢換向運行的無位置檢測器無刷直流電機控制中存在的由起動段外同步運行到反電勢換向自同步運行的切換過程容易失步的問題。成功地把它運用于研制的樣機中。
【敘 詞】／自尋****點切換法／無位置檢測器無刷直流電動機／切換
1 引 言
反電勢換向運行的無刷直流電機近年發展很快，在許多方面獲得了廣泛的應用。此類電機運行控制中一直存在一個不易解決的問題，它產生于這種電機固有的運行過程。
對于反電勢換向運行的電機，它是依據定子繞組中的感應電勢與轉子位置有確定關系這一原理工作的[1]。感應電勢的幅值與電機轉速成正比。當電機靜止或轉速較低時，反電勢為零或較弱，無法被檢測出用以確定轉子磁極的空間位置，也就不能用于反電勢換流。這時就需要人為地給電機施加由低頻到高頻不斷加速的外同步切換信號，使電機以外同步方式由靜止逐步加速轉動。
當電機反電動勢隨著轉速的升高達到一定值時，通過端電壓檢測已經能夠確知電機轉子的位置。這時即通過計算機將電機由外同步運行方式轉換為無刷電機的自同步運行萬式。
電機由外同步變頻加速運行方式到自同步運行方式間有一轉換過程。國內這種電機一般以一變頻振蕩器產生變頻加速同步切換脈沖，以定時控制電路控制電機從外同步運行狀態切換到自同步開環或閉環運行狀態。也就是說其切換方式都是當電機轉速達到某一速度時由硬件電路關斷外同步信號，立即轉入反電動勢控制運行階段。如文獻2、3中的電機都是采用這種方式進行切換。
然而，當反電勢控制的換向信號與計算機產生的外同步驅動信號間相位相差過大時，這一切換過程就會出現問題，導致電機失步，進而停轉。目前國內采用的解決辦法有二：
(1)通過多次調試確定電機****切換速度。
(2)由于許多被控電機轉動慣量較大，故一二次失步影響不大，其慣性使電機仍可以順利運行下去。
這些解決辦法不能夠確切地掌握外同步到自同步的切換點，都屬粗放性控制方法。即使能避免失步，也必然會導致切換時電機轉矩很小，易受干擾。并且這種方法需要多次測量，會帶來繁重的工作量。
2 自尋****點切換法
2.1方法引入
針對反電勢換向運行的無位置檢測器無刷直流電機中存在的這一問題，為了使電機切換時不致因外同步信號與自同步信號間相位相差過大而導致失步現象發生；確保切換瞬間轉矩不致過小而難以抗負載擾動；盡量減少調試工作量；提出一種獨特的自尋****點切換法。
這一方法的應用基礎是電機運行過程應全部由軟件控制。筆者研制了一臺用于醫療牙鉆的無位置檢測器無刷直流電機系統。該系統以8098單片機為核心，輔以必要的電機功率驅動、反電勢檢測、過流保護等電路，以******的硬件完成了該電機全部性能指標要求。電機所有運行過程的控制均由軟件完成。起動道程中外同步變頻加速信號由計算機根據一延時表格提供，反電勢自同步運行過程中，整形后的反電勢過零信號的讀入、處理及反電勢換向信號的產生和輸出由計算機按一定的算法實現。在全數字控制的基礎上，成功地實現了自尋****點切換方法，保證了電機切換過程的順利完成，經千次以上實驗驗證，從未出現失步現象。
2.2反電勢換向的實現
反電勢控制的換向信號產生原理：研制的系統中電機功率較小，故采用一相導通星形三相三狀態的半橋驅動方式。反電勢信號由三相繞組端部取出，經分壓、濾波、整形、隔離后送給8098單片機。8098根據反電勢過零信號延遲30。對應的上跳沿決定三相導通后，立即將三相繞組開通信號送出，經驅動電路控制相應繞組饋電，從而實現反電勢換向。三相反電勢信號與對應的繞通信號間關系如圖1所示。
對于單相，繞組工作波形見圖2。
從圖2中可知，即反電勢過零點延時30。處對應輸出信號的上跳沿。這一上跳沿觸發產生繞組換向信號。此信號既是一相繞組的開通信號，同時也是另一相繞組的關斷信號。起動段的外同步加速信號則由計算機根據一延時表格產生，電機被強制拉入同步。
2.3方法討論
反電勢接管換向控制的過程如圖3所示
起動后一段時間，系統不斷比較應關斷的某一相如B相，其自同步關斷時刻與外同步關斷時刻間差值。當這一差值小于某一設定閾值時，則以反電動勢切換信號取代外同步信號進入自同步運行。
設電機正處于外同步運行階段，則某一次換向后計算機由延時表中數據可推算下一次換向（設下一次換向繞組通斷信號為010（A斷B通C斷））的時刻。若此時電機轉速已足夠大，則反電勢信號已經能夠被用來確定轉子磁極的空間位置從而決定電機換向。計算機同時記錄反電勢換向信號確定的繞組通斷信號亦為OIO(A斷B通C斷)的時刻。因為時間與相角是對應的，因此相位差a
3 實驗驗證
這一方法在樣機實際起動運行過程中很好地完成了外同步運行到自同步運行的切換。由于樣機轉動慣量很小，相位差稍大即會導致失步，而樣機的多次實驗中從未出現問題，這一點足以證明此方法的有效性及優越性。
對實際運行過程的測試證實采用這種方法后切換時電機轉矩增大。當對閾值不加限制時，此法與國內其它無位置檢測器無刷直流電機系統一樣，采用到一定轉速強行切換的辦法，則切換時轉矩****為9.8×l0-3Nm，且不穩定。穩定值為7.35×10-3Nm，電機額定轉矩為7. 84×10-2Nm，而取閾值a=5ms時，電機切換轉矩提高到4.45×10 -3Nm穩定值[4]。
4結語
從實驗結果可見，自尋****點切換法在采用全數字控制方式實現電機運行全過程的前提下，可以很好地完成無位置檢測器無刷直流電機由外同步起動到反電勢自同步運行的切換。這一方法若應用于中小型無位置檢測器無刷直流電動機，相信它們的起動性能指標會有很大的提高。
郝曉輝：男，1972年12月出生，現在清華大學電機及應用電子技術系攻讀博士學位。
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