變頻空調(diào)用直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)研究

黃潤宇 李 慶 高曉峰

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519110）

引言

目前行業(yè)內(nèi)，無刷直流電機(jī)由控制器驅(qū)動，控制方式有兩種，一種為有位置傳感控制驅(qū)動，另外一種為無位置傳感控制驅(qū)動。無位置傳感控制驅(qū)動，比有位置傳感控制驅(qū)動減少了幾個關(guān)鍵的元器件，能節(jié)省電機(jī)成本，從而提高市場競爭優(yōu)勢。

無位置傳感控制驅(qū)動是通過檢測反電勢過零點的方式檢測轉(zhuǎn)子位置。在降低成本的前提下，無位置傳感控制驅(qū)動存在一些問題，例如，無位置傳感控制驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)子位置是通過算法來計算得出，算法計算出來的轉(zhuǎn)子位置存在偏差，與實際轉(zhuǎn)子位置可能存在角度差。這些細(xì)微的角度差，可能會導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動大，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)效率偏低，存在噪音等可靠性問題。

本文針對提高無刷直流電機(jī)無位置傳感控制驅(qū)動的轉(zhuǎn)子檢測進(jìn)行研究。

1 無位置傳感控制驅(qū)動工作原理

1.1 無刷直流電機(jī)工作原理（圖1）

電動機(jī)和電子驅(qū)動電路兩部分形成了無刷直流電機(jī)。電動機(jī)部分與傳統(tǒng)的交流永磁同步電機(jī)基本相似。根據(jù)驅(qū)動需求，無刷直流電機(jī)還需要位置傳感器[1]。

1.2 無位置傳感控制驅(qū)動

無刷直流電機(jī)的無位置傳感控制驅(qū)動的關(guān)鍵在于：利用間接的檢測轉(zhuǎn)子位置的方法來取代位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置的方法。通過軟件和硬件，來實現(xiàn)檢測電機(jī)磁場的變換。

無位置傳感控制驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)子位置有：反電勢過零點法、反電勢積分及參考電壓比較法、續(xù)流二極管等。

1.3 反電勢過零點法

無刷直流電機(jī)是根據(jù)三相六狀態(tài)，120 °通電方式驅(qū)動的[2]，以這種方式運行的直流無刷電機(jī)，在運行的時候，電機(jī)繞組只有兩相通電工作，另外一相繞組不通電，稱之為懸空相。反電勢過零點法就是通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)，會使懸空相產(chǎn)生較多的由電樞反應(yīng)產(chǎn)生的反電勢，檢測其過零點的時刻來檢測轉(zhuǎn)子位置。

2 位置檢測矯正

根據(jù)無刷直流電機(jī)繞組反電勢反饋實時轉(zhuǎn)子位置，利用這個原理，在其中一槽或多槽的繞組上，另繞n圈檢測繞組（后面稱之為檢測線圈），假設(shè)該電機(jī)反電勢為E0V，每相繞組有N匝繞組，則檢測線圈上的反電勢E1有：

由于槽滿率和轉(zhuǎn)矩脈動等影響，檢測線圈不宜過多，在一些電機(jī)匝數(shù)比較高的情況下，檢測繞組產(chǎn)生的反電勢小，對于檢測線圈反電勢可能會出現(xiàn)檢測精度過小、檢測誤差等問題。對此，只需要將檢測線圈兩端接到運算放大器上，調(diào)節(jié)運算放大比例，可以調(diào)節(jié)MCU所檢測到的檢測線圈反電勢的峰峰值，增加檢測的精度。檢測繞組反電勢放大電路圖如圖3所示。

圖1 無刷直流電機(jī)工作原理

圖2 反電勢過零點

圖3 檢測繞組反電勢放大電路圖

3 基于Maxwell電磁仿真

基于上述理論，根據(jù)maxwell具有瞬態(tài)電磁仿真，以及能進(jìn)行空、負(fù)載仿真。利用maxwell來進(jìn)行電機(jī)的負(fù)載仿真以及帶載能力的推算[3]。

3.1 檢測線圈反電勢

以12槽8極的電機(jī)為仿真模型，同時在U相繞組上，放置U相的檢測繞組。

圖5、圖6中以x軸正方向穿過的齒部為U相的第一槽，接著以逆時針擺布UVW三相繞組。檢測線圈位于U相的第一槽。

根據(jù)圖6和圖7可得，U相繞組的反電勢與檢測線圈U的反電勢相位一致無偏差。

3.2 相位偏差導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩偏低

基于圖4的仿真模型，對每相繞組添加負(fù)載電流

式中：

a—負(fù)載相電流峰值；

T—反電勢的周期；

β—相位角度差。

以U相為0，V相為-120°，W相+120°。g為相位角度偏移。可得負(fù)載轉(zhuǎn)矩如圖8。

相位偏差導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩變化及轉(zhuǎn)矩脈動見表1。

圖4 仿真模型

圖5 仿真模型中的檢測線圈

圖6 U相反電勢

圖7 檢測線圈U反電勢

圖8 負(fù)載轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

通過仿真結(jié)果可得，負(fù)載電流相位角度的偏差，會導(dǎo)致電機(jī)的扭矩變化，當(dāng)負(fù)載電流相位角與轉(zhuǎn)子相位角一致時，轉(zhuǎn)矩最大，電機(jī)在拖動同一個負(fù)載時的效率能達(dá)到最優(yōu)化。同時轉(zhuǎn)矩脈動也處于比較低的值。

4 實際驗證

4.1 反電勢測試

基于上述理論以及上述模擬負(fù)載，將一款量產(chǎn)電機(jī)的U相的第一槽上纏上一組檢測線圈，同時將電機(jī)的U相的端電壓和中心點引出。啟動電機(jī)，利用示波器測試U相的電壓和檢測線圈的反電勢。

由圖9可得，電機(jī)通電相位與檢測線圈存在著偏差，偏差角度為6.2 °，檢測線圈的反電勢不和電機(jī)通電相位一一重合。裝配負(fù)載后測試出來的得到的消耗功率為50 W。

4.2 相位角度改善

針對不同電機(jī)調(diào)節(jié)不同的電角度可得2格數(shù)據(jù)。

圖9 U相和檢測線圈的相位差

表1 相位偏差導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩變化及轉(zhuǎn)矩脈動

表2 相位調(diào)整后的消耗功率

由表2可得，更正相位能夠改善電機(jī)的消耗功率。

5 總結(jié)

據(jù)上述分析，實際中無位置傳感驅(qū)動算法計算出來的轉(zhuǎn)子位置和實際電機(jī)轉(zhuǎn)子位置存在一定的相位偏差，這種偏差會導(dǎo)致電機(jī)消耗功率大，轉(zhuǎn)矩脈動增大。通過檢測線圈檢測轉(zhuǎn)子實際位置，然后調(diào)節(jié)導(dǎo)通的相位角度，使電機(jī)繞組導(dǎo)通相位與實際電機(jī)轉(zhuǎn)子位置一致時，能使得電機(jī)消耗功率最低，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動減小。本文針對輔助無位置傳感驅(qū)動的轉(zhuǎn)子位置檢測進(jìn)行了研究，研究了檢測線圈與實際線反電勢的偏差、相位角度偏差對效率的影響，針對性的給出了研究技術(shù)方案，為無位置傳感驅(qū)動轉(zhuǎn)子檢測提供了一種可行性的技術(shù)方案。