无刷直流电动机新型电流检测方法
逢格民，李铁才（哈尔滨工业大学深圳研究生院，深圳518055）
摘要：为了检测三相无刷直流电动机绕组内产生力矩的电流，在电机工作于三相六拍两两导通控制方式时，针对逆变器下桥臂开关管调制方式，提出了一种新型电流检测拓扑。分析了电机绕组在各种状态下检测电流与电机电磁转矩的关系，并进行了实验验证。分析和实验证明，该拓扑能够简单、有效的检测出电机的力矩电流，对抑制电机转矩脉动具有重要意义。
关键词：无刷直流电动机；电流检测；电磁转矩；转矩波动
中图分类号：TM36+1; TP274+.5 文献标志码：A 文章编号：1001-6848(2010) 01-0091-03
0 引 言
转矩波动问题一直是无刷直流电动机控制领域研究的关键问题{1，2}。想要有效的抑制电机的转矩波动，首先要准确检测出反映力矩大小的电流。目前三相无刷直流电动机通常采用相电流瞬时值或母线电流瞬时值的方法来实现电流闭环控制。前者需要3个独立的电流传感器以及电流调节器，导致电路冗余、软件实现复杂；后者忽略了电动机绕组电感的续流作用，续流电流在逆变电路和电动机绕组中形成内环流，无法通过安装于母线上的电流传感器检测因此常用于限制过电流[3]。本文针对无刷直流电动机系统逆变器下桥臂开关管调制方式，提出了一种新型电流检测方案，该方案通过简易的方法，精确地检测出了电机绕组内产生转矩的电流。
1新型电流检测方案拓扑
三相星型连接的无刷直流电动机大多采用三相六拍两两导通控制方式。在这种控制方式下，本文针对逆变器开关管下桥臂调制方式，对传统的逆变电路作了适当的改进，提出了新型电流检测方案，其拓扑结构如图1所示。线圈L1、L2中电流i1、i2方向以图中觌定的方向为正方向。新型电流检测方案中检测电流为图1中电流i1、i2之
和。即检测电流满足： i=i1+i2 (1)
实现电流相加的具体方法为：将L1、L2按照一定缠绕方向缠绕在带有气隙的环形磁性材料上，使得当L1、L2中电流按照图1中规定的电流方向流动时，两个线圈产生的磁场方向一致，如图2所示。
在磁性材料的气隙中安装线性霍尔传感器，于是传感器的输出K。；正比于气隙磁场B，即：
而气隙磁场B与线圈电流关系为：
由式(1) -式(3)得到：
即电流传感器输出反映图1中电流i1, i2之和i。
2 电机电磁转矩与传感器电流的关系
设电机三相对称，每相绕组具有相同的特性和参数；L为绕组的自感和互感之差；R为绕组的
电阻；Ea EbEc分别为A、B、C相反电动势；ia、ib、ic分别表示每相绕组的电流；t为电磁转矩；Pe为电磁功率；Ω为机械角速度，则电机电磁转矩方程为：
假设无刷直流电动机状态切换顺序依次为AB→AC→BC→BA→CA→CB→AB，如图3所示。图3中，梯形波为理想状态下A、B、C相绕组反电动势，方波为理想状态下各相绕组电流。下面将分非换相时刻及换相时刻分别讨论电机电磁转矩Te与传感器电流i的关系。
2.1非换相时电磁转矩与传感器电流的关系
不失一般性，以电机工作在AB状态为例分析。如图3，在AB状态时有：
其中，E为绕组反电动势****值。此时，图1中开关管Q1始终导通，电流回路分为下桥臂开关管Q6导通PWM_ ON及关断PWM_ OFF两种情况。
当PWM—ON时，电流回路经过L1、Q1、A相绕组、B相绕组、Q6，如图4(a)所示（实线部分表示电流路径，下同）。因此有：
将式(6)、式(7)代入式(5)得：
当PWM OFF时，开关管Q1导通，Q6关断，电流回路经过Q1、A相绕组、B相绕组、续流二极管D3、L2，如图4(b)所示。因此有：
将式(6)、式(9)代人式(5)得：
由式(8)、式(10)可以得出结论：在非换相时刻，传感器检测的电流正比于电机电磁转矩，传感器电流为电机的力矩电流。
2.2换相时刻电磁转矩与传感器电流的关系
不失一般性，以AB状态向AC状态换相为例分析。如图3，在该换相时刻有：
将式(11)代入式(5)得：
换相时，B相绕组屯流不会瞬间降为零，而是通过二极管D3续流。开关管Q1始终导通，电流回路分为下桥臂开关管02导通PWM_ ON及关断PWM_ OFF两种情况。
当PWM—ON时，电流回路有两条，一条经过线圈L1、开关管Q1、绕组A、绕组C、开关管Q2，另一条为续流回路，经过绕组B、二极管D3、线圈L2、开关管Q1、绕组A，如图5(a)所示。因此有：
将式(13H-F:A式(12)得
当PWM一OFF时，也有两条电流回路。一条经过绕组C、二极管D5、线圈L2、开关管01、绕组A，另一条经过绕组B、二极管D3、线圈L2、开关管Q1、绕组A，如图5(b)所示。因此有：
将式(15)代入式(12)得：
由式(14)、式(16)可以得出结论：在换相时刻，传感器检测的电流正比于电机电磁转矩，传感器电流为电机的力矩电流。
3实验结果
本文对所提出的电流检测方法进行了实验验证，所用无刷直流电动机参数为：额定功率600 W;额定电压200 V；额定转速5 000 r/min；三相8极；绕组电阻1.5Ω；绕组电感7.2 mH。实验波形如图6所示。图6(a)为绕组相电流波形，图6(b)为电流传感器检测电流波形，即电机力矩电流。
4结论
在三相无刷直流电动机工作于六拍两两导通方式且选择逆变器下桥臂开关管调制方式时，采用这种新型电流检测拓扑结构，能够利用单电流传感器获得电机绕组内产生力矩的电流，进而实现电流闭环与转矩闭环控制。分析与实验均证明，该方法简单、精确、有效。
|
