專利名稱：：一種三相凸極無刷直流電動機的換相方法及換相裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種電機的換相方法及換相裝置，特別是一種無位置傳感器的三相凸極無刷直流電動機的換相方法及相應(yīng)的換相裝置。
背景技術(shù)：
：為了實現(xiàn)對無刷直流電機的加電控制，電機電壓或電機電流在轉(zhuǎn)子的某些特定位置處進行電子換相。在三相無刷直流電機兩兩通電方式中，每隔120度電角度一個功率開關(guān)管關(guān)斷而切換到下一個功率開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)，為確保這種換相過程在預(yù)定的位置進行換相，電機的當(dāng)前位置必須是已知的，對于這樣的控制方式，通常是利用專門的轉(zhuǎn)子位置傳感器如霍爾傳感器來檢測電機的位置或者是采用開環(huán)起動技術(shù)實現(xiàn)換相。無位置傳感器無刷直流電動機由于省去了轉(zhuǎn)子位置傳感器，使得電機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高。特別是在一些特殊的場合，如當(dāng)對電機的連線數(shù)目有要求時，或者對電機體積限制、位置傳感器難以安裝時，或當(dāng)電機工作在惡劣環(huán)境中以至于位置傳感器工作的可靠性難以保證時，這種無位置傳感器的無刷直流電動機更顯示出其獨特的優(yōu)越性。無位置傳感器無刷直流電動機在成功起動以后的位置檢測方法具有多樣性并且實現(xiàn)裝置筒單，但電機在靜止和低速運行時位置檢測方法卻很少，目前普遍采用開環(huán)起動技術(shù)實現(xiàn)起動，開環(huán)起動技術(shù)通常稱為"三段式"起動技術(shù)，即首先對轉(zhuǎn)子進行預(yù)定位，然后采用外同步的方式，使電機逐步加速至預(yù)定速度，再切換到自同步方式運行，詳細原理分析及實現(xiàn)方法可以參考沈建新于1998年5月在微特電機上發(fā)表的文章《無傳感器無刷直流電機三段式起動技術(shù)的深入分析》。這種起動方法的不足之處在于首先，轉(zhuǎn)子預(yù)定位可靠性差，即當(dāng)轉(zhuǎn)子的北極在加電磁勢方向的反方向時，此時作用到轉(zhuǎn)子上的力矩接近于零，使得初始位置不確定；其次，可移植性差，即針對不同的電機及不同負載情況下都需要重新調(diào)整施加電壓或者電流的時序；最后，電路調(diào)試復(fù)雜，即電機施加電壓或者電流的時序需要反復(fù)試湊才能達到預(yù)定的效果。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可移植性強、電路實現(xiàn)簡單、性能可靠的三相凸極無刷直流電動機的換相方法及換相裝置。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種三相凸極無刷直流電動機的換相方法，步驟如下(1)對三相凸極無刷直流電動才幾三相繞組中的其中兩相施加直流電流，使定子繞組產(chǎn)生一個定位磁勢，拖動轉(zhuǎn)子進入預(yù)定的初始位置；(2)根據(jù)轉(zhuǎn)子的初始位置、目標(biāo)旋轉(zhuǎn)方向，對與轉(zhuǎn)子初始位置超前120。電角度的^茲勢所對應(yīng)的兩相繞組施加直流電流，并記錄通電電流初始值；(3)檢測當(dāng)前通電的兩相繞組電流值的變化情況，當(dāng)繞組中電流值達到步驟(2)所述通電電流初始值時，定子繞組換相，并向比轉(zhuǎn)子當(dāng)前換相點位置超前120'電角度的》茲勢所對應(yīng)的兩相繞組施加直流電流；(4)重復(fù)步驟(3)的方法，依次向比轉(zhuǎn)子換相點位置超前120。電角度的f茲勢所對應(yīng)的兩相繞組施加直流電流，推動轉(zhuǎn)子朝目標(biāo)方向旋轉(zhuǎn)。所述步驟(1)和步驟(2)之間還包括排除定位死區(qū)的步驟，方法為將加電位置由步驟(1)中所述的電機兩相繞組改為超前該位置60'電角度的磁勢所對應(yīng)的兩相繞組，而后重復(fù)步驟(1)的操作，使轉(zhuǎn)子進入初始位置。所述步驟(3)中被施加直流電流的兩相繞組中電流值的變化規(guī)律為在定子繞組的每一個換相周期內(nèi)，電流先減小后增大。一種三相凸極無刷直流電動機的換相裝置，包括三相橋功率電路、電流傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和控制器，三相橋功率電路接外部電源，控制器控制三相橋功率電路中功率管的關(guān)斷，為電機提供換相時各通電狀態(tài)所需的電壓，電流傳感器采集三相橋功率電路的母線電流，并將采集獲得的數(shù)字量送入控制器，當(dāng)控制器檢測到三相橋功率電路的母線電流值與換相后第一次的電流采樣值相等時，控制三相橋功率電路改變通電狀態(tài)，從而改變定子磁勢，推動轉(zhuǎn)子朝目標(biāo)方向旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的原理為三相凸極同步電動機由于轉(zhuǎn)子是凸極結(jié)構(gòu)，所以定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙不均勻使定子繞組的自感和互感因定子、轉(zhuǎn)子相對位置的不同而不同，隨夾角P呈周期性變化。因此，可以寫出定子繞組每相的自感^^式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，^是轉(zhuǎn)子軸線北極與定子A相軸線的電角度，丄。是定子繞組自感的平均值，^是定子繞組自感的二次諧波幅值。同理可以寫出三相凸才及無刷直流電動才幾定子兩相繞組的互感^>式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>根據(jù)上述定子繞組的自感和互感公式，經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得出三相凸極無刷直流電動機定子六個》茲勢所對應(yīng)的兩相繞組電感與轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)關(guān)系式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>表1列出了電機順時針旋轉(zhuǎn)(以圖2中繞組的空間分布為參考)轉(zhuǎn)子位置與定子繞組六個磁勢之間的對應(yīng)關(guān)系，表2列出了電機逆時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子位置與定子繞組六個磁勢之間的對應(yīng)關(guān)系。依據(jù)上述關(guān)系，結(jié)合三相凸極無刷直流電動機定子六個磁勢所對應(yīng)的兩相繞組電感與轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)關(guān)系式，可以得知電機順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)時每個定子磁勢所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置區(qū)間內(nèi)電感的變化規(guī)律，即每個磁勢所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置區(qū)間內(nèi)電感隨轉(zhuǎn)子位置先增大后減小,且每個換相點的電感相同。表1電機順時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子位置與定子繞組六個磁勢之間對應(yīng)關(guān)系<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2電機順時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子位置與定子繞組六個磁勢之間對應(yīng)關(guān)系<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>由于電感是無法直接測量的，只有通過間*接的方式測量。而定子電感的變化會引起繞組電流的變化，因此，采取測量通電的兩相繞組的電流值間接獲取電感的變化?，F(xiàn)以j萬通電狀態(tài)為例寫出由電機電壓方程如下，其中，U是端電壓，R是端電阻，^是A相反電勢，是B相反電勢。在一個通電區(qū)間內(nèi)，可以認為轉(zhuǎn)速恒定，即、^為常數(shù)，得到一個通電區(qū)間內(nèi)電流的零狀態(tài)響應(yīng)為其中，r-:^。由此可以確定定子繞組電流值先減小后增大的變化規(guī)律，當(dāng)母線電流值與換相后的初始加電電流值相等時，即為電機的下一個換相點，從而可以準確換相。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明方法可以在無位置傳感器的情況下實現(xiàn)電機的準確換相，推動轉(zhuǎn)子朝目標(biāo)方向旋轉(zhuǎn)，從而帶動電機轉(zhuǎn)動，梯:作方法簡單，可靠性高；(2)采取兩次預(yù)定位的方法，不僅使得尋找初始位置簡單，而且排除了定位死區(qū)，使得轉(zhuǎn)子可靠進入預(yù)定位置；(3)由于整個換相過程中不涉及任何具體的電參數(shù)計算，而僅判斷流過三相繞組中通電繞組的電流變化規(guī)律而實現(xiàn)換相，換相方法可移植性強；(4)本發(fā)明的換相裝置由于只需檢測三相橋母線電流的變化即可實現(xiàn)對電機的換相控制，電路結(jié)構(gòu)簡單、檢測方法可靠。圖1為本發(fā)明電機換相方法的流程框圖；圖2為本發(fā)明電機換相方法的轉(zhuǎn)子初始位置定位示意圖；圖3為本發(fā)明電機換相方法的三相繞組兩相通電時電感變化與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系示意圖4為本發(fā)明電機換相裝置的組成框圖5為本發(fā)明電機換相裝置的三相橋功率電路母線電流和轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系示意圖。具體實施例方式如圖1所示為本發(fā)明換相方法的流程框圖，首先對三相凸極無刷直流電動機三相繞組中的其中兩相繞組施加直流電流，使定子繞組產(chǎn)生一個定位》茲勢，拖動轉(zhuǎn)子進入某一預(yù)知的初始位置。而后才艮據(jù)轉(zhuǎn)子的初始位置、目標(biāo)旋轉(zhuǎn)方向，對與轉(zhuǎn)子初始位置超前120。電角度的磁勢所對應(yīng)的兩相繞組加電，并記錄此時的通電電流初始值11。隨后檢測當(dāng)前加電的定子兩相繞組電流值I2的變化情況，當(dāng)繞組中電流值I2和電流初始值11相等時，定子繞組換相，此時加電于比轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置超前12(T電角度的磁勢所對應(yīng)的兩相繞組，根據(jù)上述換相方法，遞推加電于比轉(zhuǎn)子位置超前120'電角度的磁勢所對應(yīng)的兩相繞組，推動轉(zhuǎn)子朝目標(biāo)方向旋轉(zhuǎn)。如圖2所示，為本發(fā)明電機換相方法的轉(zhuǎn)子初始位置定位示意圖，圖中N為北極，S為南極，^為轉(zhuǎn)子軸線北極與定子A相軸線的電角度，i^表示繞組電流從A相流入C相所產(chǎn)生的磁勢，其他組合類同。起動時轉(zhuǎn)子位置隨機分布在圓周上，可以對三相凸才及無刷直流電動才幾三相繞組中的其中兩相繞組施加直流電流，使定子繞組產(chǎn)生一個定位磁勢，拖動轉(zhuǎn)子進入某一預(yù)知的初始位置。圖中示意施加磁勢4,轉(zhuǎn)子將向著4的方向轉(zhuǎn)動并且最終轉(zhuǎn)子停留在方向上，但是由于轉(zhuǎn)子位置是隨機的，這時轉(zhuǎn)子位置可能在磁勢i^的反方向上(圖2中虛線所示)，此時定子、轉(zhuǎn)子之間作用力矩為零，轉(zhuǎn)子無法定位在i^方向上。因此，再對與磁勢i^超前60。的磁勢i^所對應(yīng)的兩相繞組加電后再重復(fù)施加磁勢F^，使轉(zhuǎn)子進入初始位置，這樣可以排除定位死區(qū)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子在空間任意位置拖動到某一預(yù)知的初始位置。如圖3所示，為本發(fā)明電機換相方法三相繞組兩相通電時電感變化與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系示意圖，從圖中可以看出，電機順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)時，每個定子磁勢所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置區(qū)間內(nèi)電感變化規(guī)律為每個磁勢所對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置區(qū)間內(nèi)，電感隨轉(zhuǎn)子位置變化先增大后減小，且每個換相點的電感相同。圖4為本發(fā)明電機換相裝置的一種實現(xiàn)框圖，其中電流傳感器(功率電阻)檢測三相橋的母線電流，并將傳感器信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(AD7820)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入控制器(XC2S200-PQ208)中，經(jīng)過數(shù)字信號控制器內(nèi)部控制輸出六路開關(guān)信號經(jīng)三相橋功率電路(IRF640)對三相凸極無刷直流電機進行換相，使得定子繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢，從而拖動轉(zhuǎn)子向目標(biāo)方向旋轉(zhuǎn)。如圖5所示，為圖4中三相橋功率電路母線電流和轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系示意圖。由于電感是無法直接測量，只有通過間4妄的方式測量。而定子電感的變化《1起繞組電流的變化，采取測量三相橋功率電路母線電流值間接獲取電感的變化。根據(jù)圖3中每個工作區(qū)間的電感變化示意圖，由此可以確定定子繞組電流即三相橋功率電路母線電流先減小后增大，當(dāng)母線電流值與換相后的初始電流值相等時即為電機的下一個換相點，從而實現(xiàn)準確換相。需要說明的是，本發(fā)明不局限于上述實施方式，無論采取任何一種通電時序及任何通電狀態(tài)作為起始狀態(tài)，只要利用了母線電流的上述變化規(guī)律作為三相凸極無刷直流電動機的換相依據(jù)，則均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1、一種三相凸極無刷直流電動機的換相方法，其特征在于步驟如下(1)對三相凸極無刷直流電動機三相繞組中的其中兩相施加直流電流，使定子繞組產(chǎn)生一個定位磁勢，拖動轉(zhuǎn)子進入預(yù)定的初始位置；(2)根據(jù)轉(zhuǎn)子的初始位置、目標(biāo)旋轉(zhuǎn)方向，對與轉(zhuǎn)子初始位置超前120°電角度的磁勢所對應(yīng)的兩相繞組施加直流電流，并記錄通電電流初始值；(3)檢測當(dāng)前通電的兩相繞組電流值的變化情況，當(dāng)繞組中電流值達到步驟(2)所述通電電流初始值時，定子繞組換相，并向比轉(zhuǎn)子當(dāng)前換相點位置超前120電角度的磁勢所對應(yīng)的兩相繞組施加直流電流；(4)重復(fù)步驟(3)的方法，依次向比轉(zhuǎn)子換相點位置超前120°電角度的磁勢所對應(yīng)的兩相繞組施加直流電流，推動轉(zhuǎn)子朝目標(biāo)方向旋轉(zhuǎn)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三相凸極無刷直流電動機的換相方法，其特征在于所述步驟(1)和步驟(2)之間還包括排除定位死區(qū)的步驟，方法為將加電位置由步驟(1)中所述的電機兩相繞組改為超前該位置6(T電角度的^磁勢所對應(yīng)的兩相繞組，而后重復(fù)步驟(1)的操作，使轉(zhuǎn)子進入初始位置。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三相凸^l無刷直流電動^L的換相方法，其特征在于所述步驟(3)中被施加直流電流的兩相繞組中電流值的變化失見律為在定子繞組的每一個換相周期內(nèi)，電流先減小后增大。4、一種三相凸極無刷直流電動機的換相裝置，其特征在于包括三相橋功率電路、電流傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和控制器，三相橋功率電路接外部電源，控制器控制三相橋功率電路中功率管的關(guān)斷，為電機提供換相時各通電狀態(tài)所需的電壓，電流傳感器釆集三相橋功率電路的母線電流，并將釆集獲得的數(shù)字量送入控制器，當(dāng)控制器檢測到三相橋功率電路的母線電流值與換相后第一次的電流采樣值相等時，控制三相橋功率電路改變通電狀態(tài)，從而改變定子磁勢，推動轉(zhuǎn)子朝目標(biāo)方向旋轉(zhuǎn)。全文摘要一種三相凸極無刷直流電動機的換相方法，首先給電機定子中的兩相繞組施加直流電流，使定子繞組產(chǎn)生一個定位磁勢，拖動轉(zhuǎn)子進入某一預(yù)知的初始位置。而后按照目標(biāo)旋轉(zhuǎn)方向，導(dǎo)通比轉(zhuǎn)子初始位置超前120°電角度的磁勢所對應(yīng)的兩相繞組，當(dāng)通電電流達到當(dāng)前兩相繞組通電電流初始值時，導(dǎo)通比轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置超前120°電角度的磁勢所對應(yīng)的兩相繞組，根據(jù)上述換相方法，遞推導(dǎo)通比換相點轉(zhuǎn)子位置超前120°電角度的磁勢所對應(yīng)的兩相繞組，推動轉(zhuǎn)子朝目標(biāo)方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)上述方法，給出了一種實現(xiàn)裝置。本發(fā)明的換相方法能準確檢測到轉(zhuǎn)子位置的換相點，具有可移植性強，實現(xiàn)簡單，且性能可靠等優(yōu)點。文檔編號H02P6/18GK101340169SQ20081011803公開日2009年1月7日申請日期2008年8月7日優(yōu)先權(quán)日2008年8月7日發(fā)明者李建春,王曉瑜,波翟申請人:北京航天控制儀器研究所