刘明基　王　强　邹继斌　张　豫　韩晓明

　　【摘　要】　从理论上分析了电动势换向无刷直流电动机预定位方式起动过程，并用具体电路予以实现。实验证明，预定位方式能够可靠地实现电动势换向无刷直流电机的起动。
　　【关键词】　无刷直流电机　起动　电动势换向

The Start Method by Means of Rotor Pre-setting for the Brushless
DC Motor of Electro-motive Force Commutation

Liu Mingji　Wang Qian　Zou Jibin　Zhang Yu
(Harbin Institute of Technology,Harbin 150001)
Han Xiaoming
(Yanshan University,Qinhuangdao 066004)

　　【Abstract】　The start method by means of rotor pre-setting for the brushless DC motor of electro-motive force(EMF) commutation was analyzed in this paper and the control dircuit was designed.The experiment shows that the start method by means of rotor pre-setting can start the brushless DC motor of EMF commutation reliably.
　　【Keywords】　brushless DC motor　start　commutation with EMF

1 引　言
　　电动势换向的无刷直流电机是利用电动势作为转子位置信号控制电机驱动电路换向并产生电磁转矩。但电机静止时电动势为零，没有换向信号，电机不能自起动，必须外加起动信号使电机向某一方向具有一定的初始速度，绕组中产生电动势，然后用模拟开关切换到无刷电机方式，从而完成起动。电动势换向的无刷直流电机起动有外同步驱动方式和预定位方式起动两种。
　　外同步驱动方式起动是以变频方式同步拖动电机转子旋转，电机产生一定的初速度和电动势。这种起动方式需要专门的脉冲分配电路提供各相导通的控制信号，因此起动电路较为复杂。预定位方式起动的控制电路相对简单，但为了起动可靠，必须设计起动控制电路并合理地调整电路参数。

2 预定位方式起动
2.1 预定位方式起动的电磁学原理
　　电动势换向的无刷直流电机的转向是由电机的初始转向决定的，如果没有专门的控制电路，电机的转向是不确定的。因为如果电机具有逆时针方向的初始速度，假定此时电动势的相序是正向的，用电动势信号换向，电机就产生逆时针方向的转矩，使电机加速运行；反之亦然。
　　预定位方式起动是在起动开始时使电机有一个确定的通电状态，这样转子有一个确定的位置。然后改变电机的通电状态，在电磁力矩的作用下转子向下一个确定位置转动，在转动过程中利用模拟开关把电机切换到无刷电机方式。这样，一方面使绕组中具有一定大小的电动势信号，另一方面电动势的相序是固定的而非随机的，保证电机有一个确定的转向，实现电机的正确起动。只要在切换瞬间的转速ω_r0足够大，换向控制电路就能正常工作，使电机产生转矩，转子加速运行，起动成功。转速ω_r0应满足下式：

(1)

式中：K_n—安全系数，取K_n＝2；
　　　K_e—电势系数；
　　　K_u—电路增益；
　　　V_min—电机同步状态时能够起动所需要的最小指令输入。
　　由以上分析可知，预定位方式起动分为两个步骤。第一步为强迫预定位，给电机一确定的通电状态，电机定子合成磁势在空间上有一确定方向，把转子磁极拖到与定子合成磁势轴线重合的位置，实现预定位。第二步为起动，改变电机通电状态，使定子合成磁势转向下一个位置，在电磁转矩的作用下拖动转子磁极向定子磁势轴线方向移动，在转子转动过程中产生电动势，利用电子开关切换到电动势换向的无刷电机方式，驱动电路正确换向，完成电机的起动。
　　以上分析的定子磁势空间矢量图如图1所示，其中(a)为预定位状态，(b)为起动状态。

(a)　　　　　　　　　　(b)

图1　预定位方式起动的定子磁势矢量图

2.2 预定位方式起动的动力学分析
　　三相无刷直流电机的静态矩角特性方程为

(2)

式中：M_ka、M_kb—定子合成磁势在A相和B相轴线时的静态电磁转矩；
　　　M_m—静态转矩峰值，它与电机磁导及磁势分别成正比；
　　　θ—以电气角度表示的转子位置角。
　　无刷直流电机的静态矩角特性见图2。

图2　三相无刷直流电机的静态矩角特性

　　当电机起动时，首先是预定位，转子由随机初始位置θ_s向稳定平衡点a移动，此时的矩角特性为曲线M_ka(θ)，电机转子的动力学方程为：

(3)

式中：T₁—负载转矩，高速无刷直流电机多为空载起动，因此有T₁＝0；
　　　J—转子转动惯量；
　　　B—粘滞摩擦和磁滞涡流阻尼系数；
　　　θ_r—转子机械转角，且有θ＝pθ_r；p为电机极对数，这里p＝2。
　　忽略磁滞涡流和粘滞摩擦，解式(3)的微分方程，并代入初始条件

得到转子的运动方程

(4)

　　由式(4)可知，转子到达稳定平衡点a后将在点a附近作等幅摆动。实际上，由于粘滞摩擦和磁滞涡流的阻尼作用，转子经过几次摆动后很快静止在平衡点a，实现预定位。仿真和实验结果都证明对于任意的转子初始位置角，电机都能可靠地实现预定位。其中，转子处于±π位置时是最坏情况，这时的电磁转矩为零。实际上，±π是转子的不稳定平衡点，任意的随机扰动都会使转子偏离不稳定平衡点，向稳定平衡点转动。
　　预定位完成后，改变电机通电状态，定子合成磁势轴线位于B相轴线，此时的矩角特性为曲线M_kb(θ)，转子受到电磁转矩M_S作用将沿cb向新的平衡点b转动，电机转子的动力学方程为

(5)

　　忽略粘滞摩擦，解式(5)的微分方程，并代入初始条件

得到起动过程转子的运动方程

(6)

　　由式(6)可知，当忽略粘滞摩擦时，转子在稳定平衡点b附近摆动，且在点b处达到速度的最大值。图3是考虑实际粘滞摩擦和磁滞涡流阻尼时的起动过程仿真曲线。其中图3a是转子速度曲线，图3b是相平面图。由仿真曲线可以看出当转子到达2π/3之前转速达到最大值，之后由于阻尼作用，转速反而下降，只要保证在转子第一次到达b点之前转速ω_r(n₀)满足式(1)，切换开关动作，从图3a中切换开关在T₁<t<T₂之间动作，就能使电机可靠起动。从仿真曲线还可以看出，当转子第一次越过平衡位置后某时间内转速ω_r(n₀)的绝对值仍满足式(1)，但这时切换开关动作将使电机向相反方向加速运行，不能正确起动。

(a)

(b)

图3　电机起动阶段仿真曲线

3 预定位方式起动的控制电路
　　控制电路通过逆变器控制各相绕组通电状态，使电机具有图1所示的定子磁势矢量，从而实现预定位起动。三相无刷直流电机桥式驱动电路如图4所示。

图4　三相无刷直流电机桥式驱动电路

　　按图1的磁势矢量图，并考虑控制的方便，在预定位阶段，使绕组电流i_A＝I_m，i_B＝i_C＝-I_m，对应于逆变桥T₁、T₄、T₆导通；经过适当延时后，进入起动阶段，对应于图1b的磁势矢量，取电流i_B＝I_m，i_A＝i_C＝-I_m，此时应使T₂、T₃、T₆导通。
　　根据以上分析可得六个功率管的驱动真值表，如表1。其中信号A、B、C分别驱动上桥臂功率管T₁、T₃和T₅，、、分别驱动下桥臂功率管T₂、T₄和T₆。另外在进入起动阶段后，经过适当的延时控制电路应产生切换信号，将电机切换到电动势换向的无刷电机方式。

预定位方式起动时逆变桥驱动真值表

图5　预定位方式起动控制电路

　　图5中只画出、、信号生成电路，A、B、C信号由PWM调制后的延时互锁电路获得。R₁、R_w1和C₁是为了预定位可靠而设的延时电路，它保证了在进入起动阶段前电机转子经过几次摆动后已经停止在平衡点a。R₂、R_w2、C₂构成另一个延时电路，它的功能是进入起动阶段后经过延时，在转子到达下一个平衡点b之前发出控制信号G使电路切换到无刷电机方式运行，延时参数可按图3所示的T₁<t<T₂选取，并由实验具体确定。

4 结束语
　　实验证明，只要合理调整预定位和起动两个延时电路的参数，预定位方式能够可靠地实现电动势换向无刷直流电机的起动。

第一作者简介：刘明基，男，1969年生，博士研究生；Liu Mingji,male,born in 1969,doctoral candidate.
作者单位：刘明基　王　强　邹继斌　张　豫　哈尔滨工业大学　哈尔滨 150001
　　　　　韩晓明　燕山大学　秦皇岛 066004

参考文献
1　Isao.Takahashi,al.A Super High-Speed PM Motor Drive System by a Quasi-current Source Inverter.IEEE-IAS,1993;657-662
2　张琛.直流无刷电动机原理及应用.北京：机械工业出版社，1996
3　陆永平，李铁才.电势换向永磁电机始动过程的分析.惯性技术专业情报交流分组《404》会议，陀螺电机交流会资料汇编(下).哈尔滨工业大学编，1984
4　张英，叶济忠.无位置传感器无刷直流电动机的锁相稳速系统.微特电机，1994；4：17-19

本文1998年8月3日收到