[发明专利]一种三相凸极无刷直流电动机的换相方法及换相装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种电机的换相方法及换相装置，特别是一种无位置传感器的三相凸极无刷直流电动机的换相方法及相应的换相装置。

背景技术

为了实现对无刷直流电机的加电控制，电机电压或电机电流在转子的某些特定位置处进行电子换相。在三相无刷直流电机两两通电方式中，每隔120度电角度一个功率开关管关断而切换到下一个功率开关管导通状态，为确保这种换相过程在预定的位置进行换相，电机的当前位置必须是已知的，对于这样的控制方式，通常是利用专门的转子位置传感器如霍尔传感器来检测电机的位置或者是采用开环起动技术实现换相。

无位置传感器无刷直流电动机由于省去了转子位置传感器，使得电机结构简单、体积小、可靠性高。特别是在一些特殊的场合，如当对电机的连线数目有要求时，或者对电机体积限制、位置传感器难以安装时，或当电机工作在恶劣环境中以至于位置传感器工作的可靠性难以保证时，这种无位置传感器的无刷直流电动机更显示出其独特的优越性。

无位置传感器无刷直流电动机在成功起动以后的位置检测方法具有多样性并且实现装置简单，但电机在静止和低速运行时位置检测方法却很少，目前普遍采用开环起动技术实现起动，开环起动技术通常称为“三段式”起动技术，即首先对转子进行预定位，然后采用外同步的方式，使电机逐步加速至预定速度，再切换到自同步方式运行，详细原理分析及实现方法可以参考沈建新于1998年5月在微特电机上发表的文章《无传感器无刷直流电机三段式起动技术的深入分析》。这种起动方法的不足之处在于：首先，转子预定位可靠性差，即当转子的北极在加电磁势方向的反方向时，此时作用到转子上的力矩接近于零，使得初始位置不确定；其次，可移植性差，即针对不同的电机及不同负载情况下都需要重新调整施加电压或者电流的时序；最后，电路调试复杂，即电机施加电压或者电流的时序需要反复试凑才能达到预定的效果。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可移植性强、电路实现简单、性能可靠的三相凸极无刷直流电动机的换相方法及换相装置。

本发明的技术解决方案是：一种三相凸极无刷直流电动机的换相方法，步骤如下：

(1)对三相凸极无刷直流电动机三相绕组中的其中两相施加直流电流，使定子绕组产生一个定位磁势，拖动转子进入预定的初始位置；

(2)根据转子的初始位置、目标旋转方向，对与转子初始位置超前120°电角度的磁势所对应的两相绕组施加直流电流，并记录通电电流初始值；

(3)检测当前通电的两相绕组电流值的变化情况，当绕组中电流值达到步骤(2)所述通电电流初始值时，定子绕组换相，并向比转子当前换相点位置超前120°电角度的磁势所对应的两相绕组施加直流电流；

(4)重复步骤(3)的方法，依次向比转子换相点位置超前120°电角度的磁势所对应的两相绕组施加直流电流，推动转子朝目标方向旋转。

所述步骤(1)和步骤(2)之间还包括排除定位死区的步骤，方法为将加电位置由步骤(1)中所述的电机两相绕组改为超前该位置60°电角度的磁势所对应的两相绕组，而后重复步骤(1)的操作，使转子进入初始位置。

所述步骤(3)中被施加直流电流的两相绕组中电流值的变化规律为：在定子绕组的每一个换相周期内，电流先减小后增大。

一种三相凸极无刷直流电动机的换相装置，包括三相桥功率电路、电流传感器、模数转换电路和控制器，三相桥功率电路接外部电源，控制器控制三相桥功率电路中功率管的关断，为电机提供换相时各通电状态所需的电压，电流传感器采集三相桥功率电路的母线电流，并将采集获得的数字量送入控制器，当控制器检测到三相桥功率电路的母线电流值与换相后第一次的电流采样值相等时，控制三相桥功率电路改变通电状态，从而改变定子磁势，推动转子朝目标方向旋转。

本发明的原理为：三相凸极同步电动机由于转子是凸极结构，所以定子与转子之间的气隙不均匀使定子绕组的自感和互感因定子、转子相对位置的不同而不同，随夹角θ呈周期性变化。因此，可以写出定子绕组每相的自感公式为：

其中，θ是转子轴线北极与定子A相轴线的电角度，L₀是定子绕组自感的平均值，L₂是定子绕组自感的二次谐波幅值。

同理可以写出三相凸极无刷直流电动机定子两相绕组的互感公式为：