城市軌道交通車輛牽引電動機無位置控制探究

馮 準 時龍震

1.遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學院，遼寧錦州 121000；2.蘇州市軌道交通集團有限公司，江蘇蘇州 215000

現(xiàn)代城市大力發(fā)展軌道交通，通車城市及延長公里數(shù)逐漸增加，使得地鐵車輛使用程度大大增加。在自動化程度相對發(fā)達的現(xiàn)今階段，地鐵車輛控制方式采用ATC，可以實現(xiàn)全自動駕駛模式，而在自動駕駛模式中，現(xiàn)今使用的設備必不可缺的一個關(guān)鍵設備是霍爾傳感器。而由于地鐵車輛的特殊工作環(huán)境（大量運行里程都在隧道內(nèi)），導致霍爾傳感器故障率升高，通過取消霍爾傳感器，用無刷直流電動機取代直流電動機，利用無刷直流電動機運行時各相繞組本身存在的反電勢作，通過過零檢測法獲取電動機轉(zhuǎn)子位置代替原有位置傳感器的作用，參與電動機的閉環(huán)控制運行。實現(xiàn)地鐵車輛安全運行。

1 控制方式的選擇

目前國內(nèi)外學者對無刷直流電動機的研究大多集中在其速度和位置控制技術(shù)上。無刷直流電動機速度伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用電流、速度雙閉環(huán)控制，電流環(huán)采用傳統(tǒng)的PI控制，速度環(huán)既可采用PI控制，也可根據(jù)運行條件選擇合適的控制策略。

反電動勢過零檢測法；業(yè)內(nèi)人士提出了對于無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置檢測的諸多辦法，針對本課題研究的調(diào)速系統(tǒng)做到檢測到懸空相的過零點從相即可滿足本課題對于無刷直流電動機換相要求，下面我們對利用懸空相的端電壓或相電壓檢測該相反電動勢過零點的方法做以論述。

三相無刷直流電動機采用兩兩通電方式，每轉(zhuǎn)過60°就必須換相一次，這樣每轉(zhuǎn)過一周就要6個換相信號，而每相的感應電動勢都會產(chǎn)生兩個過零點，如圖1，共計有6個過零點，那么只要計算出這6個過零點，就可以獲得換相信號。

圖1 反電動勢和相電流波形

如圖2所示，圖中，L—相電感，R—相電阻，EX —相感應電動勢，RI X —相電流，VX —相電壓，Vn—星形鏈接中性點電壓。

圖2 電動機定子某一相等效電路

對于三相無刷直流電動機來說，每次只有兩相通電，兩相通電的電流相反，第三相斷電，相電流為0，因此，將A、B、C分別帶入上式，就可以得到三個方程，將三個方程相加，由于電流大小相等、方向相反，所以RIX和項相互抵消，可以得到：

由圖2可知，無論任何相感應電動勢的過零點都有EA+EB+EC=0，即：

對于懸空相，Ix=0，所以有EX=Vx+Vn。

所以，只要檢測出轉(zhuǎn)子繞組三相端電壓，然后由程序計算未導通相的反電動勢值，當未導通相反電動勢值為零時即表明檢測到未通電相反電動勢過零點。

2 電動機的啟動方式

無刷直流電動機的啟動技術(shù)很多，但是在諸多啟動方式中，技術(shù)成熟并應用最為廣泛的是三段式啟動技術(shù)，由于電機在初啟動和轉(zhuǎn)速較低時反電勢為零或很小，無法確認轉(zhuǎn)子位置信息，基于此特殊性，反電勢過零檢測法需要采用具有針對性的起動技術(shù)。通常是按他控式同步電動機的運行狀態(tài)，從靜止開始加速，直至能夠檢測到反電動勢過零點，再切換至無刷直流電機運行狀態(tài)。

2.1 啟動

采用轉(zhuǎn)子通電記憶法，通過軟件記憶車輛停車最后一個通電相，啟動時，第一通電相依然為本相，然后依次換向，使車輛啟動。

2.2 加速

按他控方式順序通電，同時通過PWM控制逐漸提高電機外施電壓，這樣使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也逐漸提高，以達到順利檢測未通電相反電動勢過零點的目的。

2.3 切換

電機加速到預定轉(zhuǎn)速后，（一般來說，由于采用反電動勢過零檢測法，電動機轉(zhuǎn)速越低，其相電壓越小，越不容易檢測，所以，切換時刻最低轉(zhuǎn)速一般不低于30r/min）當反電動勢信號已可以檢測到，再切換到無刷直流電機自控方式運行。

圖3 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)控制圖

3 結(jié)語

無刷直流電機及其驅(qū)動器是一種時變、強非線性開關(guān)電路，僅僅采用一般的控制方法，很難達到較高的性能要求，采用芯片控制可以實現(xiàn)更為復雜的算法。采用PWM-ON單極性驅(qū)動模式，減小了開關(guān)管的損耗，提高了運行可靠性。

無刷直流電動機的電子換向取消了直流電動機的機械換向，徹底消滅了換向火花，由于碳刷的取消，使軌道交通運營公司的生產(chǎn)成本大大降低，同時也大大增加了地鐵車輛運行的可靠性。