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直流無刷電機(jī)由于定子繞組的反電動勢與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，所以電機(jī)在靜止時(shí)反電動勢為零或低速時(shí)反電動勢很小，此時(shí)無法根據(jù)反電動勢信號確定轉(zhuǎn)子磁極的位置。因此，反電動勢法需要采用特殊啟動技術(shù)，從靜止開始加速，直至轉(zhuǎn)速足夠大。通過反電勢能檢測到過零時(shí)，再切換至直流無刷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。這個過程稱為“三段式”啟動，主要包括轉(zhuǎn)子預(yù)定位、加速和運(yùn)行狀態(tài)切換三個階段。這樣既可以使電機(jī)轉(zhuǎn)向可控，又可以保證電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后再進(jìn)行切換，保證了啟動的可靠性。
下面對“三段式”啟動技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析。
1、電機(jī)轉(zhuǎn)子預(yù)定位
若要保證直流無刷電機(jī)能夠正常啟動，首先要確定轉(zhuǎn)子在靜止時(shí)的位置。
在小型輕載條件下，對于具有梯形反電勢波形的直流無刷電機(jī)來說，一般采用磁制動轉(zhuǎn)子定位方式。系統(tǒng)啟動時(shí)，任意給定一組觸發(fā)脈沖，在氣隙中形成一個幅值恒定、方向不變的磁通。只要保證其幅值足夠大，那么這一磁通就能在一定時(shí)間內(nèi)將電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)行定位在這個方向上。
在應(yīng)用中，可以在任意一組繞組上通電一定時(shí)間，其中預(yù)定位的PWM占空比和預(yù)定位時(shí)間的長短設(shè)定值可由具體電機(jī)特性和負(fù)載決定，在實(shí)際應(yīng)用中調(diào)試而得。
在預(yù)定位成功后，轉(zhuǎn)子在啟動前可達(dá)到預(yù)定的位置，為電機(jī)啟動做好準(zhǔn)備。
2、電機(jī)的外同步加速
確定了電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置后，由于此時(shí)定子繞組中的反電動勢仍為零，所以須人為改變電機(jī)的外施電壓和換相信號，使電機(jī)由靜止逐步加速運(yùn)動。這一過程稱為外同步加速。對于不同的外施電壓調(diào)整方法和換相信號調(diào)整方法，外同步加速可劃分為三類：
①換相信號頻率不變，逐步增大外施電壓使電機(jī)加速，稱為恒頻升壓法。
②保持外施電壓不變，逐漸增高換相信號的頻率，使電機(jī)逐步加速，稱為恒壓升
頻法。
③在逐步增大外施電壓的同時(shí)，增高換相的頻率，稱為升頻升壓法。
各個方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。如升頻升壓法是人為地給電機(jī)施加一個由低頻到高頻不斷加速的他控同步切換信號，而且電壓也在不斷地增加。通過調(diào)整電機(jī)換相頻率，即可調(diào)整電機(jī)啟動的速度。調(diào)整方法比較簡單。但是這個過程較難實(shí)現(xiàn)。切換信號的頻率的選擇要根據(jù)電機(jī)的極對數(shù)和其他參數(shù)來確定。太低，電機(jī)無法加速；太高，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)不到，會有噪聲甚至無法啟動，算法比較困難。
無論哪種方法，該過程都是在未檢測到反電動勢信號時(shí)進(jìn)行。因此對于控制系統(tǒng)來說此段電機(jī)控制是盲區(qū)。參數(shù)在調(diào)試好的時(shí)候，可以快速切換至正常運(yùn)行狀態(tài)；而參數(shù)不理想時(shí)，電流可能不穩(wěn)甚至電機(jī)會抖動。因此，在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電機(jī)及負(fù)載特性設(shè)定合理的升速曲線，并在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成切換。
3、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換
當(dāng)電機(jī)通過外同步加速到一定的轉(zhuǎn)速，反電勢信號可以準(zhǔn)確檢測時(shí)，即可由外同步向自同步切換?？梢酝ㄟ^試驗(yàn)觀察反電勢信號能夠被準(zhǔn)確檢測的轉(zhuǎn)速。在進(jìn)行切換有兩種方法：一種是測速模塊可以測出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)達(dá)到這一轉(zhuǎn)速時(shí)即可進(jìn)行切換；另一種，通過試驗(yàn)檢測出達(dá)到預(yù)定切換轉(zhuǎn)速的時(shí)間，通過軟件定時(shí)器設(shè)置切換時(shí)間。
這一步是關(guān)鍵也是比較難實(shí)現(xiàn)的一步。有時(shí)軟件或者硬件設(shè)計(jì)的不合理都可能導(dǎo)致啟動失敗。通常是采用估算的方式來選擇切換速度。
通過上面的分析可知，無位置傳感器直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的難點(diǎn)就是加速及切換階段。當(dāng)電機(jī)順利啟動后，就可以對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速操作。其中，無位置傳感器直流無刷電機(jī)和有位置傳感器直流無刷電機(jī)調(diào)速原理一致。但，由于無感三段式啟動過程，轉(zhuǎn)子位置檢測無效。因此，對電機(jī)進(jìn)行的速度PID閉環(huán)控制，須在電機(jī)啟動順利完成后進(jìn)行。