摘要：一般的无刷直流空心杯电机绕组常采用三角形接法，当采用反电势法对其实行无位置传感器控制时，其控制方式与常用的星型接法电机有所不同。由此提出了一种新的反电势换相方法。实验结果证明该方法能使空心杯电机输出更大的电磁功率，转矩脉动更小。
　　关键词：空心杯电机；无位置传感器；反电势换相；无刷直流电机；实验

     O  引  言

      空心杯电机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，作为高效率的能量转换装置，代表了电动机的发展方向。由于空心杯电动机电枢无铁心，使其克服了铁心电动机不可逾越的技术障碍，不但具有突出的节能特点，更为重要的是具备了铁心电动机所无法达到的控制特性”“。随着工业技术的飞速发展，许多应用领域对电动机的性能不断提出更高的期望和要求，使空心杯电动机在很多应用场合拥有不可替代的地位。我国对空心杯电动机的开发研制工作起步比较晚，严重影响了与国外同类产品的技术竞争力。本文对其进行研究。
　　l无位置传感器控制方法与仿真目前国际上提出了许多无位置传感器的位置检测方法，主要有反电势过零检测法、续流二极管电流检测法、电感法等，而反电动势过零检测法是目前最常用、实现******的一种方式。该方法是通过将检测到的反电势过零点经过30。延迟后作为一开关信号。但这种方法较适用于电机绕组为Y接法、两两导通的情况，而对于三角形接法的空心杯电机而言，虽然仍可以采用反电势过零检测法，但换相规律则有所不同，现分析如下。
　　由图1可得如下电压关系式：

　　式中，uaub、uc为三角形连接时的相电压；uaub、uc为星形连接时的相电压。如果假定u′a=ea，当ea过零点时，再延时30°即可得到三角形连接时绕组反电势的过零点。由于星形接法电机的无位置传感器控制的导通规律是反电势过零后延时30°换相，因此根据式(1)可知，三角形接法电机的无位置传感器控制的导通规律应该是反电势过零后延时60°换相，如图2所示。

　　由上图可以得到三角形绕组在二二导通方式下开关管的导通序列如表1。

　　从上面的分析可知，三角形接法空心杯电机实行无位置控制时，其****换相点发生在反电势过零后60°处。
　　2控制系统设计

      2．1硬件设计

      本控制系统主要由直流电源、隔离驱动电路、逆变电路、空心杯电机、位置检测电路、微处理器和保护电路等组成。其硬件结构如图3所示。
　　DsP事件管理器EVA的比较单元输出PwM信号，信号经过隔离光耦后进入驱动芯片2130，最终由2103驱动逆变电路的MOs管用以驱动电机。
　　在直流母线处串联电阻用以采样电流。把采样到的电流和母线电压输入到保护电路进行电流电压保护。保护电路分别与DsP产生的6路PWM调制波通过与非门连接到光耦。一旦电压或者电流超出设置的保护限值，与非门输出高电平，使光耦输出高电平，2130输出的6个MOs管的驱动信号都为零，从而使逆变电路没有输出。采样到的母线电流还输入到DsP的一路_A／D端口进行模数转换。转换后的结果作为电流反馈值用来做电流闭环的计算。

　　另外电机的三相线电压分别连接到位置检测电路，经过位置检测电路后最终输入DsP的3个中断捕获口用于转子位置判断和电机转速计算。
　　针对本控制系统的特点，着重介绍该控制系统的反电势过零点检测电路。因为三相对称，取其中一相电路分析，如图4所示。该检测电路主要由分压、低通滤波、过零比较和隔离电路4部分组成成。端电压信号经电阻分压，再经无源低通滤波电路滤波后，把得到的信号与us／2进行比较后得到方波信号。该信号经二极管隔离后，输入到微处理器的中断捕捉口，根据捕捉到的反电势过零点信号控制电机换相。下面来详细介绍各部分电路并进行理论推导。

　　①高频滤波电路。电阻R1、R4组成分压电路，把端电压的强电信号转变成比较器能够比较处理的弱电信号。由电容滤除高频干扰信号，它们构成了第一级无源低遥滤波电路。该电路既要能够有效滤除PwM的高频干扰信号又要能使反电势信号顺利通过，因此该滤波电路的截至频率应满足以下条件：

　　式中，nmax电机****转速；p为极对数；fpwn为开关频率。
　　②隔直电路。隔直电路主要是防止直流或低频信号出现在反电势信号中，因此该电路其实是个高通滤波器。它的截止频率必须远远小于电机的****基波频率，以使反电势信号完全通过。

　　③移相90°补偿电路。反电势过零检测电路中引入了低通滤波电路，以滤除端电压中的干扰信号。低通滤波电路的引入，将会导致滤波后的反电势信号移相。实际应用中，一旦滤波电路的硬件电路确定以后，该电路的相频特性也就确定了。
　　在电机调速范围内，图4的过零点检测电路，只能满足一个频率的反电势信号移相为90°。一般称符合这一条件的频率为****换相频率。其它频率下，电路的移相角度会产生一些偏差，并不完全满足移相90°的要求。假定电机运行在某一转速的时候，滤波电路产生的移相角度是α，为了使反电势过零点的移相仍为90°，软件中就需要加入(90°一α)角的补偿。为了减少软件的运算工作量，设计　　的滤波电路应尽可能减小补偿角度，所以对于设计成移相90°的滤波电路来说，滤波电路设计中要使反电势过零点信号在电机转速范围内尽量满足移相在90°左右的要求，为此加入了由R8、C4成的无源低通滤波电路。
　　本文所设计的控制系统调速范围在l 000 r／min～7 000 r／min之间，开关频率为10 kHz。根据计算，便可确定该检测电路各元件的参数值如下：
　　R1=10 k，R2=100 k，C2=O．01μf．R7=100 k，c3=lμR8=200 k，c4=0．47μf在各个转速下的移相角度和补偿角度如表2所示，经过补偿后的移相角度偏差控制在10％左右。
　　2．2系统软件设计

      对于本系统，软件主要实现以下功能：
　　①实现无位置传感器空心杯无刷直流电机的开环启动。整个启动过程包括转子预定位、转子加速和内同步切换三个环节。
　　②实现转子位置的可靠检测及换向控制。由于检测电路内含延时环节，所以实际换相时刻需要由软件对检测到的矩形波边沿时刻进行补偿后方能得到。
　　⑧建立双闭环调速系统，包括速度环和电流环。其中，速度环的实时转速反馈由对位置检测电路的输出矩形波形运用测周法算出，电流环的反馈电流值通过A／D在PWM有效期内测量开关主电路的母线电流得到，测量结果要经过数字滤波处理。

　　根据以上功能需求，本文利用c语言编制了整个系统流程如图5所示。
　　3实验结果

      对空心杯电机进行了实验。电机参数如下：
　　额定电压u=24 V，额定电流I=1．5 A，额定转速n=6 000 r／min,速度常数Ke=3．2、1／kr／min，转矩常数KT=30．5 ranm／A。

　　在转速为2 000 r／min，负载为0．025 N·m的条件下得到实验波形如图6～图8所示。

　　由文献[7]可知，理想的波形应该左右对称，但本文的端电压在经过一个滤波电路获得转子位置信号时产生了一个相移，而且在一定速度范围内用同一补偿角，这势必造成补偿误差，从而导致换相误差，这也就是图6和图7波形稍微有点不对称的原因。从图7中也可以看出造成空心杯电机转矩脉动的几个原因：①换相转矩脉动。本文采　　用六状态120°开关管导通的控制方式。图中显示出现了换相尖峰电流，即出现了换相转矩脉动；②PwM调制方式所造成的反电势电流尖峰。图7中出现的反电势电流是由于采用上桥臂调制、下桥臂恒通的调制方式，同理，当采用下桥臂调制上桥臂恒通的调制方式时，反电势电流尖峰会小于零。减小此类转矩脉动的方法是换相瞬间保持开关管恒通，以加快电机绕组内电流的建立。
　　4结论

      三角形绕组和星形绕组的转子位置的无位置检测有所不同，如果仍采用检测星型绕组的方法来检测三角形绕组的转子位置，则会造成电机出力不足、转矩脉动大等问题。本文通过模型分析和仿真，得出了在反电势过零后60°换相的控制方法使三角形绕组的空心杯电机输出转矩更大、更加平稳。并且通过计算得到各种转速情况下因反电势采样电路产生的相位偏差需要补偿的相位。
　　通过实验与仿真结果分析比较发现，本文提出的控制方法是有效的，以及计算得到的相位补偿角是准确的；而且从实验结果中可以判定，该控制系统具有良好的动、静态性能。