專利名稱：永磁交流電動機的無傳感器驅動方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電動機的驅動方法，尤其涉及一種可以明顯減少轉矩脈動以及提高 電機的效率的永磁交流電動機的無傳感器驅動方法。
背景技術：
永磁交流電動機具有效率高以及電機功率密度大的特點，但這種電機的運行離 不開由電子器件構成的電機驅動器。目前廣泛采用的驅動方案可以分為有轉子位置傳感 器和無轉子位置傳感器兩大類，有傳感器的驅動比較容易實現(xiàn)，但依靠傳感器的結果使 得驅動系統(tǒng)的成本較高，另外由于轉子位置傳感器必須安裝在電機里，而傳感器占用的 空間必須在電機的設計上特別考慮，這種驅動方案不適合高性能小型電動機的運行。許多永磁交流電動機，特別是小型電動機，它們在穩(wěn)定運行的時候其反電動勢 (back-emf)在時域中的波形為正弦。這類電動機的驅動電流在時域中的理想波形為正 弦波形，但正弦電流波形很難以無傳感器的驅動方式實現(xiàn)。在所有無傳感器的驅動方案 中，無刷直流(BLDC)電機的驅動方案由于其電子線路簡單、可靠性好，得到最為廣泛 的應用。但采用這種驅動方案時，電機電磁轉矩的脈動很大，這會引起電機的噪聲和震 動，而且在BLDC的換流過程中，電流的躍變較大，這會在電機旋轉的時候引起附加的 噪音。在許多應用中，為了減少噪音，電機使用動態(tài)液浮軸承或者滑動軸承。當使用這 類軸承的時候，電機因為軸承而引起的噪音很小，因而電流引起的噪音在電機的運行的 時候會很明顯，電機會對這類因電磁原因而產(chǎn)生的噪音很敏感。

發(fā)明內容
在描述本發(fā)明的技術方案之前，首先對本發(fā)明的發(fā)明思路做一介紹。在使用傳統(tǒng)的BLDC (無刷直流電機)的模式驅動電機時，每相電樞繞組在一個 電周期里有兩個120°的區(qū)間有電流。這兩個區(qū)域這里定義為驅動區(qū)。而另外兩個60° 的區(qū)域沒有電流，這里定義其為待電區(qū)，見

圖1。在采用BLDC的驅動模式時，待電區(qū) 由于繞組沒有電流，因而在電機高速運轉的時候，它的back-emf(反電動勢)很容易被檢 測，而通過對back-emf的過零點(ZCP，Zero Crossing Point)的檢測可以用來判斷轉子的 位置，進而決定電樞電流的切換位置和電流的方向。這種驅動模式可以省去象霍爾元件 這樣的位置傳感器。如圖1所示，在一個電周期里，ZCP發(fā)生在0°、60°、120°、 180°、240°和300°這些轉子位置上。我們可以通過對永磁交流電動機的端電壓的檢測 來判斷ZCP的位置，因而在一個電周期里能夠檢測到6個轉子位置，使用這樣的方法就 能夠很容易實現(xiàn)永磁交流電動機的無傳感器的BLDC驅動模式。圖2顯示了永磁交流電動機驅動系統(tǒng)的三相橋電路，6個功率半導體器件及其保 護用二極管構成了該電路。在轉子位置明確后，驅動控制系統(tǒng)對6個功率半導體器件的 控制端發(fā)出開關信號，使得電機的繞組可以在驅動區(qū)內得到所要求的驅動電流。在使用圖2所示BLDC驅動電路的時候，和電樞繞組的驅動區(qū)相對應，每個三極管在一個電周期里的導通時間為兩個120°電角度。和電樞繞組的待電區(qū)相對應，兩個 導通區(qū)之間的間隔稱為待電區(qū)，其寬度為60°電角度。例如，在A相，Qah在(30°， 150° )導通，而Qal在(210°，330° )導通。這兩個管子的待電區(qū)為(330°、30° ) 和(150°、210° )。如果永磁交流電動機的back-emf為正弦，在忽略BLDC電流的過 渡過程的時候，可以證明，當電機的相電流滿足式(1)的時候，電機轉矩的脈動達到該 驅動模式的最小值，其轉矩波形如圖7所示。
α(θ) =
0/R [U-^EmCosi θ-ψ)]/R
π 5π _ π _ 11;τ θ<—\ — <θ<—;θ> —— 6 6 6 6
π ^ π 7π ^ 9π — <θ< — · — <θ<
6
2 6
6
π ^ 5π 9π ^ 11;τ — <θ<—: — <θ< —— 2 6 6 6
⑴ (θ) = α(θ-ψ)
4πιχθ) = αφ-^)式(1)中，Em為相電勢的最大值，R為電樞繞組的相電阻，U為驅動直流電壓。如果不忽略電流的過渡過程，BLDC的驅動模式會使得電機轉矩的脈動變得更 加明顯。一個典型的采用BLDC驅動模式的永磁交流電機的電流和電磁轉矩的例子如圖 3所示。顯然這樣的電磁轉矩不是我們所希望的恒定轉矩，它所含的脈動轉矩會在電機運 行的時候產(chǎn)生噪音和震動。當不考慮磁路的非線性特性時，三相永磁交流電動機的運行可以用ABC電路模 型來描繪。在這個模型里，電機的電路由4個繞組組成。除了電樞繞組的三個相繞組 外，轉子所產(chǎn)生的磁場用激磁繞組f所表示，如圖4所示。由于永久磁鋼的特性，f繞組 的激磁電流可以認定是恒定的。利用ABC電路模型，永磁交流電動機的電磁轉矩可以用以下公式表示，
T =
- + Va
+hh-T^+hh-
■+ν'/·
(M1
bf
+ iJf
dM
Cf
(2)
θ θ θ J θ J θ J θ式(2)中，La、Lb和L。以及Mab、Mbc和M。a分別為A、B和C相電樞繞組的 自感以及他們之間的互感。Lf為激磁繞組的自感，而Maf、Mbf和Mrf分別為激磁繞組與 A、B和C相電樞繞組之間的互感。許多小型永磁交流電動機的轉子采用表面安裝磁鋼的結構。這類電機的所有自 感和電樞繞組之間的互感可以認為和轉子的位置無關，而激磁繞組和電樞繞組之間的互 感與轉子的位置的關系為正弦。因而由(2)表示的電磁轉矩可以簡化為Tm = Ta+Tb+Tc式中，
⑶
權利要求
1.一種關于永磁交流電機的準正弦的無傳感器的交流驅動方法，其特征在于驅動 電流的波形為空間對稱，電機運行的時候繞組有30°的待電區(qū)和150°的驅動區(qū)，所述 150°的驅動區(qū)均分為五個相互銜接的驅動子區(qū)。
2.如權利要求1所述的永磁交流電機的準正弦的無傳感器的交流驅動方法，其特征在 于包括確定驅動子區(qū)的間隔點的步驟和產(chǎn)生準優(yōu)化電流的步驟，所述確定驅動子區(qū)的 間隔點的步驟包括Si，由ZCP信號產(chǎn)生的位置信號的上升沿觸發(fā)定出0°、120°和240°的轉子位 置，由ZCP信號產(chǎn)生的位置信號的下降沿觸發(fā)定出60°、180°和300°的轉子位置；S2，通過時鐘信號就各相鄰ZCP信號產(chǎn)生的位置信號的上升沿或相鄰ZCP信號產(chǎn) 生的位置信號的下降沿的時間間隔按照每四分之一時間間隔對應15°空間間隔的方法進 行計算，確定所有驅動子區(qū)的間隔點，即15°，45°，75°，105°，135°，165°， 195°，225°，255°，285°，315° 和 345° 這 12 個轉子位置。
3.如權利要求2所述的永磁交流電機的準正弦的無傳感器的交流驅動方法，其特征在
4.如權利要求3所述的準正弦的無傳感器的交流驅動方法，其特征是所述準優(yōu)化 電流通過線性放大器或PWM調節(jié)產(chǎn)生。于所述準優(yōu)化電流是或近似于按照如下公式
全文摘要
本發(fā)明涉及一種永磁交流電機的無傳感器的準正弦的交流驅動方法，其驅動電流的波形為空間對稱，電機運行的時候繞組有30°的待電區(qū)和150°的驅動區(qū)，所述150°的驅動區(qū)均分為五個相互銜接的驅動子區(qū)。本發(fā)明的驅動方法能夠減小電流換向時產(chǎn)生的電流躍變、及驅動時產(chǎn)生的轉矩脈動，且可以使電機的效率和功率密度得到提高。
文檔編號H02P6/10GK102013862SQ20101015358
公開日2011年4月13日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權日2010年4月23日
發(fā)明者畢磊 申請人:畢磊