劉小虎，吳峻，趙宏濤，陸珊珊
(國防科學技術大學，湖南長沙410073)
摘要：根據直線無刷直流電動機的特點，在分析傳統的無刷直流電動機控制方法優缺點的基礎卜提出了一種簡化的自位置傳感器控制方法，并從推力波動和效率的角度對這種方式的可行性進行分析：從理論上推導了這種簡化的控制方式造成電機推力的波動和效率下降的公式，進行了定量分析并通過仿真進行驗證。結果表明，這種控制方式可以將其引起的電機推力波動控制在1％的范圍內，能大大簡化電路，抗干擾能力強，可靠性高。
關鍵詞：直線無刷直流電動機；霍爾傳感器；換相；推力波動
O引 言無刷直流電動機具有高效率、高功率密度的優點，近年來，它的應用變得越來越廣泛，然而電磁轉矩脈動是無刷直流電動機的致命弱點，因此關于無刷直流電動機轉矩波動和抑制的研究成為熱點【1-5】。近年來直線電動機的發展很快，關于直線無刷直流電動機的研究也開始出現，推力大、速度快是其特點之一，然而波動問題卻是其無法避免并且需要進行深入研究的。
直線無刷直流電動機和旋轉式永磁無刷電機原理相似，分為無位置傳感器控制和有位置傳感器控制，每種控制方式都有缺陷，并不能適用所有電機【6】。無位置傳感器控制的缺點是起動困難、干擾多【7】。有位置傳感器控制方式的主要缺點是需要使用傳感器和位置檢測電路板，因此占用空間多，不利于電機的小型化…；旋轉式有位置傳感器無刷直流電動機通常采用滯環比較的方式得到方波信號，其中每個位置傳感器都是處在不斷變化的磁場中，抗電樞磁場干擾能力較強，而直線無刷直流電動機的霍爾是鋪設在定子上，理想情況下只有動子經過處的霍爾才感應變化的磁場，實際上電樞磁場會對霍爾傳感器產生干擾，若采用滯環比較方式，當非動子經過處的霍爾傳感器受到較大的電樞磁場干擾導致比較器輸出發牛變化后再自動恢復到原狀態就比較困難，這將得不到正確的轉子位置信息，因而也就得不到正確的換相信號，導致電機無法正常工作。
本文提出的簡化方法是對霍爾傳感器的信號采用單限比較器處理來得到方波，這種方式不存在起動困難的問題，并且抗干擾能力極強，但這種方式會導致電流波形與反電動勢波形的不匹配，引起電機推力的波動。本文將從理論上分析這一波動的大小，以評估這種簡化控制方式的可行性。
l電機運行過程分析
圖l是雙邊型直線無刷直流電動機的結構示意圖，動子是永磁體，定子繞組按A相一B相一C相的順序循環直線排列。圖中黑點是霍爾位置傳感器，根據動子永磁體磁場強度的變化產生變化的電壓信號，其感應的磁場強度為零時的輸出電壓為2 5 V。
根據霍爾信號可以得到轉子的位置信息，由此得到的換相信號可保證電機動子受到同一方向的磁場力做直線運動。
理想狀態下電機運行過程中，霍爾傳感器a、b、c的感應信號通過單限比較器整形后得到互差120。占空比為50％的方波信號HA、HB、HC，這三個信號組合后可形成六個換相信號，實現電機定子電流的換相，用這種方式得到換相信號的過程可用如圖2所示的框圖表示。
圖3中的虛線分割的六個部分表示理想情況下直線無刷直流電動機霍爾位置傳感器經比較器后的方波位置信號與電流和反電動勢在一個周期中的六個狀態的對應關系。
其中：Fem為動子受到的推力；v為動子速度。由圖3知，當電機反電動勢e為梯形波，采用三相對稱、互差120。的方波電流供電時，穩態下動子受到的力將是一個和電流大小成正比的常數。
其中：E為每相反電動勢幅值；』為相電流幅值。
實際上，霍爾元件不感應磁場時的輸出電壓為2 5 V，但是由于受到電樞繞組電流磁場的影響存在波動，并且比較器的參考電壓也有波動，若參考電壓選得過低，或過于接近2 5 V，則可能導致非感應動子磁場的霍爾傳感器信號經單限比較器后自動翻轉，造成位置信號出錯而使電機無法正常運行。因此，比較器的參考電壓應大于2 5 V，但這會導致各相霍爾輸出經單限比較器后的波形變為占空比非50％的方波。
圖4是參考電壓為2 5 V和3 v時。相霍爾傳感器輸出經單限比較器后的波形，可看出，參考電壓變化時，方波占空比也變化。
由圖5可知，當參考電壓比2．5 V高△u時，電流波形中正相電流右移△θ角度，反相電流左移△θ角度。由于錯位部分電流對應的反電動勢e的幅值不再固定為E，導致推力發生變化，通過下文的推導可以從理論上計算推力的波動和電機效率下降的大小。
2電機推力波動及效率分析
2 1推力波動分析
霍爾電壓變化范圍是[0.5 V，4 5 V]，實際參考電壓比2．5 V高△u，對應的錯位角為△θ，反電動勢為e，血的范圍是[0，2 v]，霍爾傳感器輸出波形的線性段所占角度與霍爾傳感器所感應的動子N極與s極之間磁場強度有關，即與圖l中兩極之間間距d有關，按****情況考慮，其角度與間隙d所占電度角一樣大，為30。，則△θ的范圍是[0，15。]。在錯位段內，任意時刻的各相電流仍為』，非錯位段的反電動勢為E，且一個周期內A、B、c 三相均形成兩小段錯位段，由于不存在疊加關系，且三相造成的力的波動是一樣的，因此分析任意一相的波動即可知電機推力的波動范圍。
式(14)即是由于電壓抬升引起的效率下降公式，由式(14)可算出電壓抬升量為0 2 V時，效率下降約0.031 25％。
3仿真和實驗分析
采用Simulink進行仿真，電機參數如下：相電阻為0．5 n；反電動勢常數為2 v／(m·s-1)；母線電壓為200V；電機極距為O．276m；相電流為50 A；有效電感為0．1 mH。圖6和圖7分別為△u=1v和△u=0．2 V時的推力波動圖，其****波動分別為12．5％和2 5％，與公式計算基本吻合�？梢钥闯�，
在實驗過程中，對霍爾元件進行篩選，使霍爾傳感器不感應磁場時的輸出盡量接近2 5 V，單限比較器的參考電壓通過穩壓電路得到以減小波動，采取這兩項措施后可使參考電壓選為2 6 V甚至更小，并且由于霍爾元件的靈敏性，其輸出特性的線性段所占的角度遠小于30。，這樣推力波動遠小于1％。實際運行過程也確實是比較平穩的。
4結語
直線無刷直流電動機采用霍爾位置傳感器和單限比較器的方式進行換相，原理簡單，抗干擾能力強，可靠性高，通過定量分析可知，這種控制方式引起的波動可以控制在很小的范圍內，具有很強的實用性，綜合考慮各種控制方式的特點，在后續研究過程中，可考慮起動段采用有位置傳感器控制，高速段采用反電動勢法的無位置傳感器控制的方式，這樣既可以解決反電動勢法起動難的問題，又由于只在電機起動段使用霍爾傳感器，需要的傳感器數量減少，位置檢測電路板得以簡化，成本也大大降低。 |
