新直流電動機的換向策略研究

陳敏祥，汪全虎，王宗培

(1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027;2.珠海運控電機有限公司，廣東珠海519000)

0 引言

電樞反應是直流電機的核心問題，它對電機性能及換向有重要影響。有刷直流電機的機械換向與新直流電機(本研究稱New DCM)的電子換向有根本的區別，因此電樞反應對二者的影響也是不同的。有刷電機有獨立的換向回路，主電路始終連接在正、負電源上，在延時或超前換向時會產生換向火花，交軸電樞反應使氣隙磁場發生嚴重畸變，使物理中心線產生偏移。New DCM 的換向會改變繞組電路的拓撲結構，電樞反應改變氣隙磁場的分布，進而對換向和繞組電流(本研究稱換向單元電流)產生很大影響。

文獻［1-3］提出了New DCM 的設想，New DCM 具有傳統有刷直流電機的電樞繞組結構，采用電子換向器換向。文獻［4-5］詳細介紹了9 換向單元New DCM 原理結構，以及其樣機實測機械特性曲線。文獻［6-8］建立了New DCM 仿真模型，并對New DCM 仿真特性進行了深入介紹。但是以前對New DCM 的研究集中在電機結構和原理性的分析，對于其換向問題還沒有深入研究。文獻［9-10］分析了New DCM 的電樞反應時電樞電路情況。本研究在已有研究基礎上對New DCM 的換向問題進行分析，提出提前導通換向方法來改善換向狀況。

本研究以9 換向單元New DCM 和特定的電子換向器為例，在介紹其電樞繞組結構和工作原理的基礎上，研究電機負載氣隙磁場的分布，分析電樞反應對換向和繞組電流的影響。

1 New DCM 工作原理

筆者研究的New DCM，永磁轉子磁極對數p=2，定子槽數Z=18，每對極下對應9 個槽，槽距角為40°電角度，線圈節距y1=4。在一對磁極范圍內有9 個繞組元件，將二對極下處于相同磁場位置的9 個繞組元件采取并聯的接法，合成總共只有9 個換向單元，它相當于傳統直流電動機電樞的迭繞組。整個電樞繞組的9 個換向單元首尾相連成環形結構，相鄰換向單元在空間上相差40°電角度。電子換向器為9 相橋式電路，9 個換向單元的引出端依次連接到橋式電路的中點，電子換向器示意圖如圖1所示。電樞繞組內電流分布的要求決定了功率開關管的通斷狀態，對于直流電樞繞組來說應使電樞表面一個極距范圍內的電流為同一方向，相鄰極距范圍內為反方向。

圖1 電子換向器示意圖

New DCM 的轉子位置檢測由9 個Hall 元件來實現，根據檢測到轉子位置信號，產生18 個功率管導通信號，每個時刻只有一個上橋功率管和一個下橋功率管導通。9 換向單元New DCM 一個電周期內有18 個通電狀態，其順序依次是或者相反(取決于電機的旋轉方向)，使得反電勢瞬時值為正的換向單元內電流為正，反電勢瞬時值為負的換向單元內電流為負，任何一個換向單元的反電勢瞬時值過零時，都應改變該換向單元內電流的方向，相當于有刷電機的碳刷放在幾何中心線上。更詳細的九換向單元New DCM 的工作原理見文獻［11-12］。

2 New DCM 的電樞反應

與直流電機類似，New DCM 空載運行時，氣隙磁場由永磁體建立，此時氣隙中主磁場磁通密度的分布如圖2 中Bf所示，其中一個換向單元的軸線與d 軸重合時，與其對應的Hall 正好在q 軸上，此時換向單元的反電勢為零，Hall 信號翻轉，該換向單元進行換向。

電機Hall 狀態的改變只與轉子位置有關，但是換向單元的反電勢與氣隙磁通密度的分布有關，與有刷直流電機一樣，電機負載運行時，電機的磁場由勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同產生，所以負載時氣隙磁場的分布與空載時會有比較大的區別。電樞電流產生的電樞磁場對主極勵磁磁動勢建立的氣隙磁場產生影響，使氣隙磁場發生畸變。New DCM 在帶負載運行時，氣隙磁通密度波形也會因為電樞反應變得畸形，因此需要對帶負載運行時的電樞反應對電機性能的改變進行分析。

假設:①磁路不飽和;②氣隙均勻，不考慮鐵芯開槽的影響;③支路電流是直流。則可以畫出負載時磁通密度波形如圖2所示。由Bδ曲線可得到:由于電樞反應的影響，負載時的電勢過零點由如圖所示a 點移到了b 點，這個角度為α，隨著負載加大，電樞電流相應地會增加，使得這個角度也會相應增加。Hall 信號翻轉時刻只與轉子位置有關，即Hall 信號翻轉時刻應該在a 點處因此當Hall 狀態翻轉時，其對應換向單元的反電勢已經提前換向。這與有刷電機碳刷沿轉子旋轉方向移動一個角度類似，負載時的換向是滯后換向，換向時間滯后反電勢過零點α 度。

圖2 負載時氣隙磁通密度波形

3 考慮電樞反應的電樞電路分析

電樞反應不會改變有刷電機的主電路，因此在進行有刷電機的穩定分析時，一般不去考慮電樞反應對電機電路的影響。New DCM 采用本研究如圖1所示的電子換向器，電樞反應將會對電樞電路結構和電機性能產生比較大的影響，因此需要分析電樞反應時的電樞電路。

圖3 考慮電樞反應時的電樞電路

與有刷電機類似，New DCM 換向單元中反電勢瞬時值為正的換向單元在一條支路，反電勢為負的換向單元在另一條支路，這樣恰好和有刷直流電機電樞情況類似，因此，類比于有刷直流電機，可以得到New DCM電樞反電勢和電磁轉矩表達式。反電勢表達式為:

式中:ei—換向單元反電勢;Ce—電動勢常數;φ—磁通，Wb。

電磁轉矩可表示為:

式中:Ia—電樞總電流;CT—轉矩常數。

不考慮電樞反應時，樣機有9 個換向單元，工作時分成二條支路，每條支路串聯換向單元數總是在4—5—4…的變化，由于繞組電阻的影響，使支路電流有波動，如果有足夠多的換向單元，則支路電流將是理想的直流，兩條支路的支路電流分別為:

式中:Vd—母線電壓;Ea—總電樞反電勢;R—換向單元電阻;Ia1，Ia2—兩條支路的支路電流。

電樞總電流:

由電勢平衡方程得到機械特性表達式:

式中:Ra—電樞回路總電阻。

考慮電樞反應時，2 號換向單元換向前，其反電勢極性已經變為負極性，此時2 號換向單元電流為兩種電流的疊加，其中環流大小可有下面公式計算得到，有:

式中:e2—2 號換向單元反電勢，R—換向單元電阻。此時，環流也會產生電磁轉矩，有:

環流產生的電磁轉矩為制動轉矩，這樣，會使得總的電磁轉矩減小，進而使電機轉速也會相應的減小，使電機機械特性變軟，降低了電機運行性能。

當電樞電流較小時，換向單元的電流基本恒定，當電樞電流增大時，換向前的延時角度α 內電流增大，意味著該單元此刻有環流。隨著電樞電流的增加，環流會更大，對電機性能影響也更大，對功率管的容量也要求更大。考慮到電機電樞反應對電機性能的影響，自然地，本研究應當對電機的控制策略進行改進，消除因電樞反應產生的環流對New DCM 系統的影響。通過分析，筆者認為采用提前導通換向策略，可以減小系統環流的影響，同時也使得電機機械特性變硬，帶負載能力加強。

4 提前換向方案的實現

有刷電機可以采用移動電刷的方法可以削弱電樞反應的影響，對于本研究New DCM 電機，采用的是電子換向器，可以通過對換向導通的角度的控制來達到移動電刷的效果。移動電刷的本質在于超前換相，對于New DCM 電機，也就是要讓繞組換相時刻超前，達到削弱電樞反應的目的。對無刷電機而言，逆著旋轉方向移動“電刷”，即提前換相可以削弱電樞反應不良影響。

根據New DCM 工作原理，當采用標準角度換向模式時，DSP 讀取9 個Hall 的狀態值，根據各相Hall 變化情況，可得到New DCM 的運行狀態，依據環形分配表，給出對應的通斷信號。各個通電狀態順序如圖9所示。一個電周期有18 個通電狀態，一旦有Hall 狀態發生變化，電機進行換向。圖中深灰色方塊分別對應1～18 號通電狀態所對應的開關管導通，每個通電狀態導通時間為20°電角度。

提前角度換向導通，即將同樣的一個通電狀態比正常導通時向前提前一個角度β。對于New DCM 而言，Hall 信號狀態發生變化時，原本需要導通的兩個功率管在Hall 狀態改變前β 電角度就已經導通。

電機負載時，因為電樞反應的影響，會使電機氣隙磁通密度畸形，導致Hall 狀態改變時，相應相換向單元反電勢已經提前α 角度由正變負或是由負變正，因此會在即將換向的換向單元上產生環流，而這個環流對電機的正常運行產生比較大的影響，而本研究提出的提前導通角換向模式是通過將相應的導通狀態提前β 角度，如果能夠對這個角度進行控制，將α 與β 大小進行匹配，可以對因為電樞反應產生的換向單元反電勢極性提前變化產生的環流現象進行改善，從而提高電機的運行性能。

通過檢測9 個Hall 信號的上升沿與下降沿，每一個邊沿信號控制這個邊沿信號20°電角度之后的那個導通狀態。以1 號Hall 信號上升沿為例，若要提前β角度換向，只需在上升沿來到后延時20°－β 電角度所代表時間，再將通電狀態2 的開關管導通即可。如果要提前β 角度換向，當檢測到1 號Hall 信號上升沿后，根據Hall 周期計算20°－β 電角度所代表時間，有

式中:THall—Hall 周期時間。

通過DSP 定時器進行計數，當20°－β 電角度時間計算結束，再給通電狀態2 的開關管導通，其他狀態可以以此類推。提前角β 需要與反電勢提前轉換極性α 進行匹配。而β 的獲得可以通過對電機換向單元電流的分析來得到，理想情況下根據式(3)計算所得的換向單元正半周期電流如圖4所示。換向單元在圖中所示區域9 結束后換向，根據電樞反應分析，換向單元電流在換向狀態時電流因為環流會增大，而區域3～7不牽涉到相關橋壁開關管通斷，因此，這段區域內換向單元電流變化平穩，與理想狀況電流變化類似。如果要通過提前換向導通控制，使電機運行性能與不考慮電樞反應時相同，只需將區域9 的電流與區域3、5、7進行比較，在一定容許范圍內，如果區域9 的電流比區域3、5、7 電流平均值大，則將提前角β 增加;如果區域9 電流與區域3、5、7 電流平均值大小在容許范圍內，則不改變提前角度β 的值。

圖4 理想狀況換向單元正半周期電流

換向單元相電流是通過霍爾電流傳感器測量得到，從傳感器得到電流信號經調理電路至DSP 的ADC口，因為硬件資源的限制，對于采樣時刻的選取非常關鍵，本研究采樣時間在延時結束時刻讀取ADC 采樣值，再給通電狀態，然后對采樣電流值進行處理，從而得到提前角度β 的值。

5 實驗結果及分析

本研究樣機為9 換向單元New DCM，電機相關參數為:轉子磁極對數p=2，換向單元電阻R=1.55 Ω，自感L=1.415 mH，互感M1=0.430 0 mH、M2=0.181 0 mH、M3=－0.057 2 mH、M4=－0.437 5 mH。根據前述分析，筆者在實驗樣機控制系統進行了基于提前換向的控制實驗。

負載接近0 時單元電流波形如圖5所示。負載較小或較大時換向單元電流波形分別如圖6、圖7所示。根據換向單元電流波形，可以發現電樞電流也較小，換向單元電流基本恒定;當負載加大的時候，根據圖6(a)和圖7(a)換向單元正常換向時換向單元電流波形，可以看到換向單元電流在換向前一個通電狀態電流有一個明顯的增加，這說明電樞反應在換向單元上產生了環流的結論的正確性，這個環流在換向單元上疊加，使處于將要換向的換向單元電流增大，這也同時證明了關于電樞反應對電機影響的分析是正確的。

圖5 負載接近0 時換向單元電流波形

圖6(b)和圖7(b)分別為負載加大且提前換向時的換向單元電流波形及對應的Hall 信號，對比換向單元電流與Hall 相位關系，可以得到:隨著負載的加大，電樞電流也相應的增加，換向單元電流相對于正常換向情況下有一個非常明顯的改善，此時換向單元電流表現出平穩的直流電流，表明環流分量減小了，使電機換向器開關管流過電流減小，系統的運行性能更好，功耗更低。

同時，還可以通過實驗結果分析得到，采用提前換向也會對電機轉速有一個很好的提升效果，如圖7所示，在相同負載轉矩下，轉速從正常換向時的8 571 r/min 提升到9 736 r/min，這與直流電機移刷控制效果正好相符。

電機機械特性曲線對比圖如圖8所示。實測與仿真結果表明，調節提前換向角，在減小電機換向環流的同時，也可以達到類似有刷電機移動電刷控制的效果，提高電機的調速范圍，提高電機性能。

6 結束語

本研究在簡要介紹了9 換向單元New DCM 工作原理的基礎上，分析了負載時的氣隙磁密，以及電樞反應對換向的影響。本研究討論的電子換向器是成本最低、結構最簡單的電子換向器，但它難以達到機械換向的效果，電樞反應引起的延時換向將在換向單元內產生環流，從而降低了電機的性能，增加了功率器件的成本。本研究在分析中通過采用提前換向策略來進行改善，實驗結果驗證了本研究分析的正確性，分析結果對New DCM 及電子換向器的設計具有指導意義。

圖7 負載較大時換向單元電流波形

圖8 機械特性曲線對比

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