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2021.09.22 电机

无传感器120度驱动的启动方法二:通过检测永磁体停止位置来启动

三相无刷电机

上一篇文章中介绍了三相全波无刷电机无传感器专用的两种基本启动方法之一:通过检测同步运行时的感应电压来启动三相全波无刷电机的方法。本文将介绍通过检测永磁体的停止位置来启动三相全波无刷电机的方法。

通过检测同步运行时的感应电压来启动的方法存在的问题

在上一篇文章中提到,“通过检测同步运行时的感应电压来启动的方法”存在一些问题。本文中会介绍的“通过检测永磁体停止位置来启动的方法”是一种可以改善这些问题的方法。为了便于回顾,下面再次列出这些问题:

<通过检测同步运行时的感应电压来启动的方法存在的问题>

・由于生成合成磁场时不考虑永磁体的位置,因此在某些状态下,可能会施加反向转矩,在某些永磁体停止位置,启动时需要时间。
・本来,产生足够转矩的永磁体与合成磁场的位置关系是90度,但由于生产合成磁场时不考虑永磁体的位置,所以会从比如70度或60度等角度开始,所以无法获得固定的较大启动转矩。

无传感器120度驱动的启动方法二:通过检测永磁体停止位置来启动的方法

下面来具体介绍一下能够解决上述问题的“通过检测永磁体停止位置来启动的方法”。

第一张图表示用于解释说明的永磁体(转子)的停止状态。假设S极停在3点钟的位置,N极停在9点钟的位置。

3相全波ブラシレスモータ、センサレス120度通電駆動:永久磁石停止位置の例

下面的电路图是用来说明检测永磁体位置的原理和工作的示意图。使用输出A1、A2、A3,给线圈通电,使线圈中流过①~⑥的6种模式的电流。这种通电是永磁体不旋转的短时间通电。

3相全波ブラシレスモータ、センサレス120度通電駆動:永久磁石停止位置検出用の6パターン短時間通電の回路イメージ

波形图为这6种模式的通电波形和所流电流波形(IVM)。A1~A3将输出与①~⑥的通电模式相对应的电压。每种模式下的电源电流波形有大有小。这是因为每种模式下的电流因永磁体的位置而异,因此该方法就是利用这一点来检测永磁体的位置。

3相全波ブラシレスモータ、センサレス120度通電駆動:永久磁石停止位置検出用の通電パターンと電源電流の波形例

下面对具体的例子进行解释说明。在③中,因为通电而在线圈2产生S极,在线圈3产生N极。永磁体的S极在线圈2的对面,永磁体的N极在线圈3的对面,因此会妨碍线圈产生磁极。因此,电流上升是最慢的,且电流变得最小。

⑥与③相反,因通电而在线圈2产生N极,在线圈3产生S极。由于永磁体的S极在线圈2的对面,永磁体的N极在线圈3的对面,有助于线圈产生磁极。因此,电流的上升是最急剧的,且电流变得最大。

也就是说,通过确认使电流最大或最小的通电模式,可以检测出永磁体的位置。

下面使用具体的驱动器电路框图示例和工作波形图来更具体地解释一下。

方法2的电路框图,基本上是在方法1(通过检测同步运行产生的感应电压来启动)的电路框图基础上,加上一个可以生成6种通电模式、检测电源电流并进行比较,从而生成初始驱动模式的电路。在这里省略了一部分,淡蓝色底色的部分是输出A1~A3。

将“(1)位置检测模式生成模块”所生成的6种模式发送到“驱动用基本波形合成模块”,根据A1~A3进行通电。检测到的电源电流通过电流检测电阻和Amp转换为电压,并根据“(2)采样&保持”和“(3)电流值比较及最大值模式检测模块”的结果,由“(4)初始驱动模式生成模块”生成基于永磁体位置的初始驱动模式,返回“驱动用基本波形合成模块”,开始驱动。

3相全波ブラシレスモータ、センサレス120度通電駆動:永久磁石停止位置検出駆動用回路ブロック図の例

接通电源后,工作波形图的输出电压波形A1~A3中立即显示短脉冲。这表示位置检测用的6种模式已通电。如上所述,由于是短时间通电,因此与其他波形相比,成了这样的时间示意图。

由于永磁体的位置是在接通电源后立即被检测到的,并且是通过基于永磁体位置的初始驱动模式进行驱动的,因此可以避免反转和低转矩启动(这些正是通过检测感应电压进行启动的方法所存在的问题),一开始电机就可以用大转矩开始旋转。

启动后的工作过程与通过检测感应电压进行启动的方法基本相同。初始驱动中切换驱动模式的时序与通过检测感应电压进行启动的方法相同,都是取决于ST_CLK。

3相全波ブラシレスモータ、センサレス120度通電駆動:永久磁石停止位置検出駆動動作波形の例

但是,由于这种启动方法从一开始就以大转矩开始旋转,因此仅几个模式(在该波形图中为4个 ST_CLK)即可获得足够的感应电压,并利用感应电压进入稳定驱动状态。也就是说,通过检测感应电压进行启动的方法所存在的问题——启动需要时间得到了改善。

关键要点:

・三相全波无刷电机“通过检测永磁体停止位置来启动的方法”可以避免“通过检测同步运行时的感应电压来启动的方法”所存在的课题——反转和低转矩启动,并改善了启动时间较长的问题。

・在三相全波无刷电机传感器的通过检测永磁体停止位置来启动的方法中,要检测永磁体的停止位置,需要在电机不旋转的短时间内进行6种模式的通电,并确认最大(或最小)电源电流的模式。

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