• 歡迎光臨東莞市邦拓運控智能科技有限公司 收藏本站| 公司簡介| 公司環境
    全國統一熱線
    13570023444
    當前位置:主頁 > 新聞中心 > 常見問題 > 第5章 無刷直流電動機控制系統

    第5章 無刷直流電動機控制系統

    文章出處: 人氣:發表時間:2019-11-26 09:11

      第5章 無刷直流電動機控制系統_計算機硬件及網絡_IT/計算機_專業資料。伺 服 系 統 第5章 無刷直流電動機控制系統 內容提要 第1節 第2節 第3節 第4節 第5節 第6節 無刷直流電動機的組成結構和工作原理 無刷直流電動機的基本公式和數學模型 無刷直流電動機

      伺 服 系 統 第5章 無刷直流電動機控制系統 內容提要 第1節 第2節 第3節 第4節 第5節 第6節 無刷直流電動機的組成結構和工作原理 無刷直流電動機的基本公式和數學模型 無刷直流電動機的轉矩波動 無刷直流電動機的驅動控制 無位臵傳感器的無刷直流電動機的驅動控制 無刷直流電動機驅動控制的專用芯片介紹 第1節 無刷直流電動機的組成結構和工作原理 三相永磁無刷直流電動機(簡稱無刷直流電動機)和有刷直 流電動機相比,由于去除了滑動接觸機構,因而消除了故障的主要 根源。有專家認為無刷直流電動機將作為信息時代的主要執行部件 在各行各業得到最廣泛的應用。 一、三相永磁無刷直流電動機的結構特點 三相永磁無刷直流電動機和一般的永磁有刷直流電動機相比,在 結構上有很多相近之處: 用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電動機的定子磁極; 用具有三相繞組的定子取代轉子電樞; 用逆變器和轉子位臵檢測器組成電子換向器,取代有刷直流電動 機的機械換向器和電刷。 無刷直流電動機的基本結構如下圖所示。 轉子是由永磁材料制成的,是具有一定磁極對數的永磁體。 無刷直流電動機為了去掉電刷,將電樞放到定子上去,但是這樣定 子上的電樞通過直流電后,只能產生恒定的磁場,電動機依然轉不起來。 為了使電動機轉起來,必須使定子電樞各相繞組不斷地換相通電,這樣 才能使定子磁場隨著轉子的位臵在不斷地變化,使定子磁場與轉子永磁 磁場始終保持90°左右的空間角,產生轉矩推動轉子旋轉。 無刷直流電動機結構示意圖 1-主定子 2-主轉子 3-傳感器定子 4-傳感器轉子 5-電子換向開關電路 無刷直流電動機(brushless DC motor)是由:電動機本體、轉子 位臵傳感器和電子開關線路三部分組成。 如上圖所示。直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電,位 臵傳感器隨時檢測到轉子所處的位臵,并根據轉子的位臵信號來控制 開關管的導通和截止,從而自動地控制哪些繞組通電,哪些繞組斷電, 實現了電子換向。 直流無刷電動機結構原理圖 三相定子繞組如圖,轉子由稀土永久磁鋼按一定極數(2,4,6…,)組成,如2p為2。 三相定子繞組分別與電子開關線路中相應的開關器件相連接(A、B、C三相繞組分 別與功率開關管VT1、VT2、VT3相連),位臵傳感器與電機的轉軸相連接并同步運 轉。當電機定子繞組的某一相通電時,該電流與轉子永久磁鋼的磁極所產生的磁場 相互作用而產生轉矩,驅動轉子旋轉,再由位臵傳感器將轉子磁鋼的位臵信號變換 成電信號,去控制電子開關線路,每相依次下去,從而使定子各相繞組按一定次序 導通,定子相電流隨轉子位臵的變化而按一定的次序換相。 轉子上永久磁鐵的特性,在很大程度上決定了電動機的特性,目前采 用的永磁材料主要有鐵淦氧、鋁鎳鈷、釹鐵硼以及SmCO5和Sm2CO17。 在轉子上安臵永久磁鐵的方式有兩種。 一種是:將成型永久磁鐵裝在轉子表面,即所謂外裝式; 一種是:將成型永久磁鐵埋入轉子里面,即所謂內裝式,圖5-2。 ?凸極式轉子上有明顯凸出的成對磁極或勵磁線圈。 ?隱極式轉子上沒有凸出的磁極。轉子本體表面開有槽,槽中嵌放勵 磁繞組。 根據永久磁鐵安裝在轉子上的方法的不同,永久磁鐵的形狀可分為扇 形和矩形兩種。 q軸 d軸 d軸 q軸 N S N N N S S S 轉子 轉子 a﹚ 圖5-2 安裝永久磁鐵的方式 a﹚外裝式 b﹚內裝式 b﹚ 扇形磁鐵構造的轉子具有電樞電感小,齒槽效應轉矩小的優點。但 易受電樞反應的影響,且由于磁通不可能集中,氣隙磁密度低,電 極呈現凸極特性。 矩形磁鐵構造的轉子呈現凸極特性,電樞電感大,齒槽效應轉矩大。 但磁通可集中,形成高磁通密度,故適于大容量電動機。此外,這 種轉子結構的永久磁鐵不易飛出,故可適合于高速運轉。 鐵心 定子線圈 永久 磁鐵 鐵心 非磁體 非磁體 S 鐵心 永久 磁鐵 S N N 永久 磁鐵 S N N S N N N N S S N S N S N S S S N N S N S S a b 圖5-3 三相永磁同步伺服電動機轉子的構造 a﹚扇形磁鐵轉子 b﹚矩形磁鐵轉子 根據確定的轉子結構所對應的每相勵磁磁勢分布的不同,三 相永磁同步電動機可分為兩種類型: ? 正弦波型永磁同步電動機:每相勵磁磁勢分布是正弦波狀; ? 方波型永磁同步電動機:每相勵磁磁勢分布呈方波狀。 ?稀土永磁方波型電動機屬于永磁無刷直流電動機的范疇; ?稀土永磁正弦波型電動機則一般作為三相交流永磁同步伺服電動 機來使用。 究竟是三相永磁無刷直流電動機還是三相交流永磁同步伺服電 動機主要取決于電動機控制系統的控制方式,取決于電動機的轉子 位臵傳感器的類型。 二、三相永磁無刷直流電動機的轉子位臵傳感器 ? 永磁同步電動機的控制系統都屬于自控式變頻系統,就是 說電動機的換相狀態是由轉子的位臵決定的,電動機的控 制頻率是由轉子的運行速度決定的,這就需要轉子的位臵 檢測器。 ? 轉子的位臵檢測器有多種: 正弦波永磁同步電動機一般采用:旋轉變壓器、絕對 式光電脈沖編碼器或增量式光電脈沖編碼器作為位臵檢測 元件; 永磁無刷直流電動機(方波電動機)中,一般采用簡 易型的位臵檢測器。該器件不能用來檢測轉子的精確位臵, 其檢測精度通常只有60°(電角度)。其主要作用是為了 滿足電動機換相的要求。 ? 位臵傳感器是無刷直流電動機系統的組成部分之一,也是區別于 有刷直流電動機的主要標志。 作用是:檢測主轉子在運動過程中的位臵,將轉子磁極的位 臵信號轉換成電信號,為邏輯開關電路提供正確的換相信息,以 控制它們的導通與截止,使電動機電樞繞組中的電流隨著轉子位 臵的變化按次序換向,形成氣隙中步進式的旋轉磁場,驅動永磁 轉子連續不斷地旋轉。 ? 位臵傳感器的種類有:電磁式、光電式、磁敏式等。 它們各具特點,然而由于磁敏式霍爾位臵傳感器具有結構簡 單、體積小、安裝靈活方便、易于機電一體化等優點,目前得到 越來越廣泛的應用。 以霍爾效應原理構成的霍爾元件、霍爾集成電路、霍爾組件 統稱為霍爾效應磁敏傳感器,簡稱霍爾傳感器。 轉子位臵檢測器介紹 轉子位臵檢測器有多種不同的結構形式,大 致可分為如下幾種: (1)光電式 圖3-22所示的一種光電位臵傳感器,它將一 個帶有小孔的光屏蔽罩和轉軸連接在一起,并隨 轉子繞一固定光源旋轉。安裝在對應于定子繞組 確定位臵上的硅光電池受到光束的照射時,發出 電信號,從而檢測出定子繞組需要進行換流的確 切位臵。 (2)電磁式 電磁式位臵檢測器的原理如圖所示。 由定子和轉子兩部分組成,定子鐵芯和轉 子上的扇形部分由高導磁材料制成。在定 子鐵芯上也有與電機定子繞組相對應的相 數,每相的一端均嵌有輸入線圈,并在輸 入線圈中外接高頻勵磁電壓,每相的另一 端嵌有輸出線圈Wa、Wb、Wc。位臵檢測器 的轉子與電機的轉子同軸安裝。當位臵檢 測器轉子的扇形部分轉到使定子某相的輸 入線圈和輸出線圈相耦合的位臵時,該相 輸出線圈則有電壓信號輸出,而其余未耦 合相的輸出線圈則無電壓信號輸出。利用 輸出的電壓信號,就可檢測出電機定子繞 組需要進行換流的確切位臵。 (3)磁敏式 N型半導體,載流子為電子 P型半導體,載流子為空穴 霍爾效應:一塊通過恒定電流的半導體(或導體)薄塊,在與電流垂 直方向上加上磁場時,運動的電子產生偏移,在薄塊的兩個側面就產生一 個電勢差,這種現象稱為霍爾效應,此電勢差稱為霍爾電壓U。實驗證明: 當通過半導體薄塊的電流恒定時,霍爾電壓U和半導體薄塊所處的磁感應強 度B成正比。 ? 基于霍爾效應的傳感器叫霍爾傳感器,按其功能和應用可分為線性 型、開關型、鎖定型三種。 霍爾位臵傳感器的基本原理: 無刷電機霍爾位臵傳感器是將有關外圍電子元件集成在一起,組成一個有源的磁 敏集成電路。通常將霍爾芯片(一矩形半導體薄片)、放大器、溫度補償電路、電源 穩壓電路、輸出級等制作在同一塊硅片上,然后用塑料封裝。它是一個有源磁電轉換 元器件,俗稱霍爾元件。 霍爾元件有線性型和開關型之分,供電電源有12V和5V之別。用于電動自行車無 刷電機的霍爾元件均為開關型且供電電源均為5V。 ? 線性型:輸入為為變化的磁感應強度,得到與磁感應強度成線性關系的輸出電壓。 可用于磁場測量、電流測量、電壓測量等。 ? 開關型:輸入為磁感應強度,輸出為開關信號(含施密特觸發器:能夠把變化緩 慢的輸入信號整形成邊沿陡峭的矩形脈沖)。 霍爾元件內部的核心是霍爾芯片?;魻栃酒且痪匦伟雽w薄片,薄片厚度δ極 小,在薄片左右兩側面(即X軸方向)上通以恒定電流I ,在上下面(即Z軸方向)上 施加上磁場B ,則在前后兩側面(即Y軸方向)上產生一電壓UH?;魻栯妷篣H大小與 磁場B和電流I成正比,與厚度δ成反比。 霍爾效應用于位臵識別就是將電流I恒定(由控制器控制),則UH唯一隨B變化。 開關型就是UH只有兩個極限值,即高電平和低電平,無中間狀態。易見,UH的有無, 也就是B的有無,而B隨位臵而變,這就是霍爾效應應用于位臵識別的基本原理。 霍爾位臵傳感器和電動機本體一樣,也是由靜止部分和運動部分組成,即位 臵傳感器定子和位臵傳感器轉子。傳感器轉子與電動機主轉子一同旋轉,以指示 電動機主轉子的位臵;若干個霍爾元件,按一定的間隔,等距離地安裝在傳感器 定子上,以檢測電動機轉子的位臵。 施密特觸發器的信號處理 如果轉子的極對數為1,位臵傳感器的永磁轉子每轉過一對磁極(N、 S極)的轉角,也就是說每轉過360? 電角度,就要產生出與電動機繞組邏 輯分配狀態相對應的開關狀態數,以完成電動機的一個換流全過程。 如果轉子的極對數越多,則在360? 機械角度內完成該換流全過程的 次數也就越多。 霍爾位臵傳感器必須滿足以下兩個條件: 1)位臵傳感器在一個電周期內所產生的開關狀態是不重復的,每 一個開關狀態所占的電角度應相等。 2)位臵傳感器在一個電周期內所產生的開關狀態數應和電動機的 工作狀態數相對應。 對于三相無刷直流電動機,其位臵傳感器的霍爾元件的數量是3, 安裝位臵間隔120? 電角度,其輸出信號是HA、HB、HC,波形見圖5-4。 圖5-4 霍爾傳感器的三相波形 三、三相直流無刷電動機的換相原理 ? 圖5-4表明,三相永磁無刷直流電 動機轉子位臵傳感器輸出信號Ha、 Hb、Hc在每360°電角度內給出了6 個代碼,按其順序排列,6個代碼 是101、100、110、010、011、001。 當然,這一順序與電動機的轉動方 向有關,如果轉向反了,代碼出現 的順序也將倒過來。 ? 圖5-5是三相永磁無刷直流電動機 的電子換向器主回路,也就是由6 只功率開關元件組成的三相H形橋 式逆變電路。 1 3 5 4 6 2 A B C X Y Z 圖5-5 三相永磁無刷直流電動機 的電子換向器主回路 正轉 010 011 001 101 100 110 反轉 001 011 010 110 100 101 圖5-6是三相永磁無刷直流電動機 的定子繞組的結構示意圖。其中虛線 A-X表示與A相繞組軸線相正交的位臵; 虛線B-Y表示與B相繞組軸線相正交的 位臵;虛線C-Z表示與C相繞組軸線相 正交的位臵;顯然由A-X、B-Y、C-Z交 叉形成了6個60? 的扇區,我們也把圖 5-6稱作“定子空間的扇區圖”。 每個位臵傳感器的代碼與一個扇區相對應 B Z 2 3 1 A 4 6 X 5 C Y 圖5-6 三相永磁無刷直流電動機 繞組結構圖 可以通過兩種不同的途徑來分析無刷電動機的換相過程: ? 第一條途徑是:利用“定子空間的扇區圖” 來分析換相過程(6個扇 區對應6個代碼) (p148), ; ? 第二條途徑是:通過分析電動機的三相反電動勢來理解換相過程。 運用“定子空間扇區圖”可以分析三相無刷直流電動機在360? 電角度內的換 相過程,從分析可以看出,定子的磁場是步進地、跨越地前進的,每步跨越60? 電角度,而轉子當然是連續地運行的。 從分析三相無刷直流電動機的三相反電勢的角度,同樣也可以理解其換相 過程?;舅悸肥沁@樣的:為了獲得最大的轉矩,應當使每相的反電勢與該相的 電流的相位相同。 無論是從“定子空間扇區圖”還是從電動機定子繞組的反電勢來分析三相 無刷電動機的換相過程,所得出的開關管的導通和關斷狀態與轉子位臵的關系都 是相同的。 1 3 5 4 6 2 表5-1是對無刷直流電動機換相狀態的總結。 A B C X Y Z 前面分析的是電動機轉子順時針運轉時的情況,電動機轉子逆時針 運轉時的情況也是類似的。 第2節無刷直流電動機的基本公式和數學模型 ? 無刷直流電動機的基本物理量有:電磁轉矩、電樞電流、反電勢和轉 速等。這些物理量的表達式與電動機氣隙磁場分布、繞組形式有十分密 切的關系。 ? 對于永磁無刷直流電動機,其氣隙磁場波形可以為方波,也可以實現 正弦波或梯形波,對于采用稀土永磁材料做轉子的電動機,其氣隙磁場 一般為方波,其理想波形見圖5-8。 B O ? ? 2? 圖5-8 理想的方波氣隙磁場 ?對于方波氣隙磁場(磁感應強度在空 間的寬度應大于120? 電角度),當定子 繞組采用集中整距繞組,即每極每相槽 數為1時,方波磁場在定子繞組中感應電 勢為梯形波,且梯形反電勢的平頂寬大 于120? 電角度。 ?方波電動機通常采用方波電流驅動, 由電子換向器向方波電動機提供三相對 稱的、寬度為120? 電角度的方波電流。 方波電流應位于梯形波反電勢的平頂寬 度范圍內,見圖5-9。 下面分析方波電動機的電磁轉矩、 電樞電流和反電勢等特性。 e,i O ? 2? ?t 圖5-9 梯形波反電動勢和方波電流 集中整距繞組 一、電樞繞組的反電勢 單根電樞繞組在氣隙磁場中的感應電勢 e ? Blv 式中:B ——氣隙磁感應強度; l ——導體的有效長度; v ——轉子相對于定子導體的線速度。 對于線速度v 有: n v? n ? 2 p? 60 60 式中:n ——電動機轉速,單位為r/min; D ——電樞內徑; p ——極對數; τ ——極距。 ?D 如果定子每相繞組串聯的匝數是N,則每相繞組的反電勢為: EX 2 p? 4 p?lBN ? 2 Ne ? 2 NBl n? n 60 60 計算極弧系數的定義為:一個極 距內的氣隙磁密平均值和氣隙磁 密最大值的比值。 方波氣隙磁感應強度對應的每極磁通為: ? ? B?l? 其中,α是計算極弧系數。因而有: p?N p EX ? n? N?n 15? 15? 磁通:通過某一截面積的磁力線總數,用 Φ表示,單位為韋(伯)Wb;磁感應強度 是與磁力線方向垂直的單位面積上所通過 的磁力線數目,又叫磁力線密度,也叫磁 通密度,用B表示,單位為特(斯拉)T。 考慮到三相永磁方波電動機是兩相同時通電,所以,線電勢E為兩相 電勢之和: 2p E ? 2E X ? N?n ? K e ?n 15? 類似直流電機 二、電磁轉矩 方波電動機的電磁轉矩Te 是由兩相繞組的合成磁場與轉子的磁場相互作用 而產生的??梢岳霉β逝c速度的關系來計算電磁轉矩。 Te ? EI ? ? 式中:? —角速度, ? I —電樞電流 2?n 60 E —兩相電動勢之和 對于轉矩則有: 類似直流電機 2p N?nI 4p Te ? 15? ? N?I ? K M ?I 2?n ?? 60 (5-3) 從式(5-2)和式(5-3)可以看出,三相永磁方波電動機與永磁直流電動機 有完全相同的反電勢公式和轉矩公式。 三、無刷直流電動機的數學模型(三相永磁方波電動機) 假設磁路不飽和,不計渦流和磁滯損耗,三相繞組完全對稱,則三相 繞組的電壓平衡方成為: ? ua ? ? R 0 0 ? ? ia ? ? L ? ? ? ub ? ? ? 0 R 0 ? ? ib ? ? ? Lm ? ?? ? ? ? uc ? ? 0 0 R ? ? ic ? ? Lm ?? ? ? ? ? ? ua、ub、uc---定子相繞組電壓; Lm L Lm Lm ? ? ia ? ?ea ? d Lm ? ? ib ? ? ?eb ? ? dt ? ? ? ? L ? ? ic ? ? ec ? ? ? ? ? ? (5-4) ia、ib、ic---定子相繞組電流; eA、eB、eC---定子相繞反電動勢; L---每相繞組的自感;R---每相繞組的自阻;Lm---每相繞組的互感; 對于方波電動機由于轉子磁阻不隨 轉子的位臵變化,因而定子繞阻的自感 和互感為常數。當采用Y型連接時,滿足 下式,帶入(5-4)有: ? ua ? ? R 0 0 ? ? ia ? ? L ? Lm ? ? ? ub ? ? ? 0 R 0 ? ? ib ? ? ? 0 ? ?? ? ? ? uc ? ? 0 0 R ? ? ic ? ? 0 ?? ? ? ? ? ? 電動機的電磁轉矩為: 0 L ? Lm 0 ? ? ia ? ? ea ? d 0 ? ? ib ? ? ? eb ? (5-5) ? dt ? ? ? ? L ? Lm ? ? ic ? ? ec ? ? ? ? ? ? 0 1 Te ? (ea ia ? eb ib ? ec ic ) ? 電動機的機械運動方程為: (5-6) 第3節 無刷直流電動機的轉矩波動 轉矩波動這是永磁無刷直流電動機在運行時的一個顯著特點,產生轉 矩波動的原因是多方面的,下面對其原因逐一加以分析。 理論上,具有120? 方波氣隙磁場的三相永磁同步電動機一般按照無刷 直流電動機的工作方式控制;而具有正弦波氣隙磁場的三相永磁同步電動 機一般按照交流伺服電動機的工作方式控制,但這不是絕對的。 1.磁場為正弦波的這類電動機來說,定子磁場和轉子之 間的夾角的變化是導致轉矩波動的主要原因。因為對于正弦 波磁場的永磁電動機,其電磁轉矩可由下式表示: T ? KFs Fr sin? (5-7) 式中:K——系數; Fs——定子磁勢; Fr——轉子磁勢; θ——定、轉子磁勢間的夾角(60? ~120? )。 從上式可以看出,對于具有正弦波磁場,但按照無刷直流電動機的工 作方式運行的三相永磁電動機來說,其轉矩波動的幅度是比較大的,當轉 子位于每個扇區的中央位臵時,電磁轉矩最大,如果把這點的值定為1,那 么當轉子位于扇區邊緣時,轉矩最小,只有sin60°=0.866。 2.對于方波電動機來說,按照無刷直流電動機的工作方式運行的電動機 的氣隙磁場,有時并非120? 方波。引起波動的原因主要有以下幾點: 1)齒槽效應和磁通畸變引起的轉矩脈動:齒與槽的不同導磁性使轉 子在不同位臵有著數量不等的磁力線,在磁極對準定子齒的位臵,鐵磁 相吸,以至阻礙了永磁式發電機轉子的轉動,這就稱為永磁式發電機的 “齒槽效應”和“齒槽阻力矩”。 2)諧波引起的轉矩脈動 在方波電動機中,恒定轉矩主要是由方波磁 鏈和方波電流相互作用后產生的,但在實際電動機中,輸入定子繞組的電 流不可能是矩形波,因為電動機的電感限制了電流的變化率。反電動勢與 理想波形的偏差越大,引起的轉矩脈動越大,另外,非理想磁鏈波形對轉 矩脈動也有影響。 3)電樞反應的影響 一、電樞反應使氣隙磁場發生畸變,該畸變的磁場與定子通電相繞組相互 作用,使電磁轉矩隨定子和轉子相對位臵的變化而脈動。 二、在任一磁狀態內,電樞反應磁場與連續旋轉的轉子主極磁場相互作用 而產生的電磁轉矩因轉子位臵的不同而發生變化。 (電樞磁動勢對主極磁場基波產生的影響,這種現象稱為電樞反應。) 4)相電流換向引起的轉矩脈動 相電流換向是引起轉矩脈動的主要原因之一, 對于換向轉矩脈動,許多學者都做過詳細的分析,基本的結論是:換相期間電磁轉 矩隨不同的換相狀態而變化。與電動機自身的反電勢Ex有關,也與驅動電動機的逆 變器中的直流母線Ex時,在換相時電磁轉矩T不波動;當U4Ex時, 在換相時電磁轉矩T變大;當U4Ex時,在換相時電磁轉矩T變小 。 5)由于機械加工引起的轉矩波動 除了以上幾種主要原因外,機械加工和材 料的不一致也是引起轉矩脈動的重要原因之一。 如工藝誤差造成的單邊磁拉力、摩擦轉矩不均勻、轉子位臵傳感器的定位 不準確、繞組各相電阻電感參數不對稱,各永磁體磁性能不一致等等。 因此,提高工藝加工水平,也是減小轉矩波動的重要方法。 第四節 無刷直流電動機的驅動控制 無刷直流電動機的應用范圍日益廣泛,它已從最初的航空、軍事設施應用領 域擴展到工業和民用領域。 目前,小功率無刷直流電動機主要用于計算機外圍設備、辦公室自動化設備 和音響影視設備中,如軟盤、硬盤、光盤的驅動,復印機、傳真機、輕印刷機械、 錄像機、CD機、VCD機、攝像機等的驅動。 在家用電器中的空調器、電冰箱、風扇、洗衣機等應用無刷電動機已經十分 普遍。 航空、軍事設施應用領域里:雷達驅動、機載武器瞄準驅動、自行火炮火力 控制驅動等等。 工業控制領域:機器人關節驅動、自動生產線、電子產品加工裝備上的各種 中小功率的驅動等等。 無刷電動機在電動自行車上的應用已經達到了已經達到了前所未有的廣泛程 度。 自動感應門的驅動電動機,基本上都是無刷直流電動機。 在不同的應用場合對無刷直流電機的運行性能的要求是不一樣的, 因此其驅動控制系統性能指標、功率范圍、控制結構、復雜程度都 有很大的區別,但有一個共同點:都具有電子換向控制電路。 近年來也出現了無位臵傳感器的無刷電機控制系統,但還處于 研究階段,實際應用比較少。 一、開環型無刷直流電動機驅動器 開環型三相無刷直流電動機驅動器內部包含有:電子換相器主電路 (三相H形橋式逆變器)、換相控制邏輯電路、PWM調速電路以及過流保護等 保護電路。電路結構見圖5-10。 速度 控制信號 脈 寬 調制器 1 1 4 3 6 5 2 3 驅動 驅動 驅動 驅動 驅動 驅動 4 6 5 2 1 換相 方向信號 控制 邏輯 電路 4 3 6 5 2 過電流保護 圖5-10 開環型三相無刷直流電動機驅動器 運行/停止 制動控制 模擬調速 速度輸出 (一) 換相控制邏輯電路 圖5-4,三相永磁無刷直流電動 機的轉子位臵傳感器輸出信號Ha、 Hb、Hc,在每360? 電角度內給出了6 個代碼,換相控制邏輯電路接收轉 子位臵傳感器的輸出信號(Ha、Hb、 Hc),并對其進行譯碼處理,給電 子換相器主回路(三相橋式逆變器) 中6個開關管的驅動控制信號。 HA HB HC 圖5-4 霍爾傳感器的三相波形 結合本章第一節中對換相原理的分析,可以得出表5-2。 設1號~6號開關管的控制信號分 別為K1~K6。根據表5-2,可以得出邏 輯表達式如下: K1=Ha /Hb DIR+/Ha Hb /DIR K2=/Hb Hc DIR+Hb /Hc /DIR K3=/Ha Hc DIR+Ha /Hc /DIR K4=/Ha Hb DIR+Ha /Hb /DIR (5-8) K5=Hb /Hc DIR+/Hb Hc /DIR K6=Ha /Hc DIR+/Ha Hc /DIR 1 3 5 4 6 2 A B C 根據式(5-8)中的邏輯關系,可 以得出換相控制邏輯電路。 X Y Z (二) PWM調速電路 無刷直流電動機,加上電子換相器(包括換相器的主 回路:逆變器和換相控制邏輯電路),從原理上說,就相 當于一臺有刷的直流電動機,也就是說,電子換相器解決 了無刷電動機換相的問題,但沒有解決電動機調速的問題。 脈寬調制電路來實現電動機的調速。 圖5-11是一種實用的脈寬調制電路。脈寬調制器的主體就是一片比較 器LM311,輸入的控制信號Uc與三角波信號Ut相疊加,疊加后的信號是: U+=(R2/(R1+R2))Uc+(R1/(R1+R2))Ut=ηUc+(1-η)Ut, 其中η=R2/(R1+R2)。 Vcc Uc Ut R1 R2 U+ + PWM Vcc 圖5-11 脈沖寬度調制器 Uc=0時,要求脈寬調制器輸出為低電平,這一點可以通過調節U來實現,設Ut的峰值為Utm,那么U-=(1-η)Utm。 PWM信號的頻率是由三角波信號的頻率決定。一般在10kHz以上。 由換相控制邏輯電路輸出的換相信號的頻率與電動機的轉速有關,還 與電動機的磁極數有關。 換相控制信號的頻率都遠遠低于PWM信號的頻率。因此,可以把PWM信 號和換相控制信號,通過邏輯“與”的辦法合成在一起,通過調節PWM信 號的占空比,來調節電動機的定子電樞電壓,從而實現調速。 PWM信號只需與高壓側的三個開關管的控制信號通過邏輯“與”的辦 法合成在一起即可實現調壓調速。PWM信號與換相控制信號的合成波形見 圖5-12 。 1 2 3 4 5 6 圖5-12 PWM信號與換相控制信號的合成 (三) 保護電路 無刷直流電動機在開環運行的情況下,最重要的保護就是過流保護。 如圖5-10所示,一般在主回路中的直流母線上取得過流反饋信號,在 過流保護環節中與設定的保護值相比較,如果超過了保護值就引發了保護 動作,一般是封鎖逆變器中的開關管,從而實現保護。 在一些性能指標要求不高應用場合,無刷直流電動機的開環控制系統 被廣泛地應用,如電動自行車驅動、便攜式電動工具的驅動、汽車電器等。 在這些應用領域,一般都采用直流蓄電池供電,電壓較低,一般低于DC36V, 而驅動電流相對較大。 二、速度閉環的無刷直流電動機驅動器 如果對無刷直流電動機的速度調節范圍和速度控制精度有較高的要 求,應當采用速度閉環的控制結構,見圖5-13。 速 度 控制器 PWM 6 換向邏輯 合成 6 逆變器 M ~ 速度反 饋環節 位臵傳感器 圖5-13 速度閉環的控制結構 在開環型驅動器的基礎上,加上速度閉環,就形成了無刷直流電動 機的速度閉環控制系統。 在無刷直流電動機閉環調速系統中,速度控制器的輸出信號,用做 脈寬調制器的控制信號。 一般將霍爾位臵傳感器的信號加以處理后,形成速度反饋信號。 霍爾位臵傳感器發出的是三路相差120? 的低頻脈沖信號Ha、Hb、Hc, 脈沖的頻率正比于電動機的轉速。首先應當對Ha、Hb、Hc,其進行辨 向和6倍頻處理,通過這樣的處理,取出其中的方向信息,并使其頻率 提高。 辨向和6倍頻處理的電路見圖5-14。 Ha、Hb、Hc三路信號,分別被送入D觸發器 D1、D2、D3,經時鐘脈沖CP的同 步后,得到了Q0、Q2、Q4,而Q1、Q3、Q5相對于Q0、Q2、Q4又延遲了一個時鐘周 期。圖5-15是相關的波形,其中,圖5-15a表示電動機正轉時Q5、Q4、Q3、Q2、 Q1、Q0的關系;圖5-15b表示電動機反轉時Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0的關系。 Q0 Q0 Ha CPF Q1 Q1 Q2 Q3 Q4 Hb Q2 倍 頻 Q5 1 2 3 4 5 6 a) 7 8 9 10 11 12 1 2 Q3 Q0 Hc Q4 辨 向 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 CPZ Q5 CP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 b) 圖5-14 辨向和6倍頻處理電路 圖5-15 一個周期內波形分成了12個區間 下面利用Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0進行倍頻和辯向:邏輯表 達式如下: CPZ=Q5Q4/Q3/Q2/Q1Q0+Q5/Q4/Q3/Q2Q1Q0+/Q5/Q4/Q3Q2Q1Q0+/Q5/Q4 Q3Q2Q1/Q0+/Q5Q4Q3Q2/Q1/Q0+Q5Q4Q3/Q2/Q1/Q0 CPF=/Q5/Q4Q3Q2/Q1Q0+/Q5/Q4Q3/Q2Q1Q0+/Q5Q4/Q3/Q2Q1Q0+Q5Q4/Q 3/Q2Q1/Q0+Q5Q4/Q3Q2/Q1/Q0+Q5/Q4Q3Q2/Q1/Q0 正轉時:CPZ輸出脈沖信號,CPF輸出0; 反轉時:CPZ輸出0,CPF輸出脈沖信號; CPZ和CPF的頻率與電動機的轉速成正比,可以利用簡單的低 通濾波電路和加法電路得到與電動機的轉速成正比的電壓信號, 作為反饋信號。 ? 由于反饋通道中存在大的濾波慣性環節,使得系統較易震蕩, 較難穩定。 ? 在設計速度控制器的動態參數時,應當考慮相位超前補償,以 抵消由于反饋通路帶來的相位滯后。所以,這里的速度控制器 一般不是一個純粹的比例積分控制器。 三、速度電流雙閉環的無刷直流電動機驅動器 如果對系統的動態性能要求較高,例如要求電動機快速起制動、突 加負載時速度改變小,恢復快等等,單閉環系統就無法滿足要求了。這 時,需要轉速和電流的雙閉環控制。 ? 與有刷直流電動機雙閉環系統相比,無刷直流電動機雙閉環系統中的 電流環的結構具有其特殊性,這是由于這里有三相電樞繞組,在不同的 時刻,電動機的電流經過其中不同的兩相。 ? 至少必須設臵兩路電流傳感器(一般采用霍爾電流傳感器),根據基 爾霍夫電流定則,第三相的電流可由另外兩相的電流值計算得到。電流 傳感器的安裝位臵,以及輸出的波形可見圖5-16。 逆變器 1 3 5 4 6 2 iA iB ~ b) a) M 圖5-16 電流波形 構成電流閉環的方式有兩種: ? 一個電流控制器; ? 兩個電流控制器。 (一) 采用單一電流控制器的方式 采用單一電流控制器的方式,需要將檢測到的電流值Ia和Ib “拼接”起來,形成一個總的電流反饋信號,這個總的電流反饋信 號的幅值就是Im。電流反饋信號拼接的原理見圖5-17。 電子開關電路 電子開關 任何時刻,模擬開關的4個通道 中,只有一個是導通的。 絕對值電路 圖5-18 絕對值電路 ? 速度控制器的輸出信號Ugi具有“轉矩給定信號”的性質; ? 電流反饋信號If始終是正的; 為了與此對應,速度控制器的輸出信號Ugi需做求絕對值處理。 在絕對值電路中,還可以取出方向信號DIR: ? 當Ugi的極性為正時,DIR為0; ? 當Ugi為負的時候,DIR為1。 DIR信號用于換相邏輯控制電路中。 圖5-19是采用單一電流控制器的無刷直流電動機雙閉環控制系統的 框圖。 轉矩控制信號 速度給定 + _ MCMD ugi 速度調 節器 絕對值 DIR 電路 _ if 電流 調節器 電流反饋信 號合成 ib ia PWM 換 相 邏 輯 三 相 逆 變 器 測速 反饋 Ha Hb Hc 圖5-19 采用一只電流調節器的雙閉環系統 (二)采用兩只電流控制器的方式 采用兩只電流控制器構成雙閉環系統,無需對電流反饋進行“拼 接”,但需要對速度調節器的輸出信號Ugi進行“分解”,使其能夠成為A 相和B相的電流的給定信號。實現對Ugi“分解”的電路見圖5-20。 KAZ A相電流的給定值 i* a ugi KAF -ugi HA HB HC 邏輯電路 KAZ KAF 圖5-20 A相實現對Ugi “分解”的電 路 B相電流給定給定值iB*是按相同方法產生,但與A相互差120°電度角。 其極性決定 電機轉向 一般采用PI UC*=-(UA*+UB*) 圖5-22 采用兩只電流調節器的雙閉環系統 圖5-21 脈沖寬度調制電路 ? 采用這種三角載波比較方式實現電流跟蹤控制,具有諧波 分量固定、電流波動小的特點,可以在一個三角波載波周 期內實現電流的跟蹤,即實現最短時間控制。 第5節 無位臵傳感器的 無刷直流電動機的驅動控制 上一節里所討論的驅動控制方法都是基于電動機的轉子位臵傳 感器發出的信號的基礎之上的。 但是,電動機中的位臵傳感器,增加了電動機的成本和制造的 難度,在某種意義上來說也降低了運行的可靠性。 近來,無位臵傳感器的無刷直流電動機已經引起了業內人們的 高度重視,盡管無位臵傳感器的無刷直流電動機控制原理和控制電 路稍復雜些,但總體結構大為簡化了,制造的難度也降低了。 一、無刷直流電動機轉子位臵估計方法 無位臵傳感器的無刷直流電動機的轉子位臵需要通過估計來獲得, 獲取轉子位臵的目的是為了換相,所以只需要估計出換相時刻的轉子位 臵。對于三相繞組的電動機,在一個電周期內只要估計六個時刻,相鄰 兩時刻轉子位臵相差60°電角度。 常用的方法有:反電勢法、定子三次諧波法、電流通路監視法等。 (一) 反電勢法 對于穩態運行的電動機來說,反 電勢法是最簡單最實用的方法。其原 理為: 無刷直流電動機在任何時刻其三 相繞組只有兩相導通,每相繞組正反 向分別導通120°電角度,通過測量三 相繞組端子及中性點相對于直流母線 負端的電位,可估算換向時刻。 當某相繞組的端點電位與中性點 電位相等時,說明此時刻此相繞組的 反電勢為零,再過30°電角度就必須 對開關管進行換相,據此可設計過零 檢測及移相(或定時)電路,得到全橋 驅動內6個開關管的開關順序,這種方 法叫做直接反電勢法。 1 3 5 4 6 2 iA iB ~ iA M Im ic 還有一種間接反電勢法,它直接測量定子每相的電壓,然后由電壓 方程解出反電勢的值,由于表達式中含有電流微分項,易引入噪聲。 無論是直接反電勢法還是間接反電勢法,都只適合于電動機穩速運 行。當電動機速度有波動時所得的估計值誤差較大。 ? ua ? ? R ? ? ? ? ub ? ? ? 0 ? uc ? ? 0 ? ? ? 0 R 0 0 ? ? ia ? ? L ? Lm 0 ? ? ib ? ? ? 0 ?? ? ? R ? ? ic ? ? 0 ?? ? ? 0 L ? Lm 0 ? ? ia ? ? ea ? ? d ? i ? ? ?e ? 0 ? ? b? ? b? dt L ? Lm ? ? ic ? ? ec ? ? ? ? ? ? 0 (二) 定子三次諧波法 由于無刷直流電動機的反電勢為梯形波,它包含了三次諧波分量。將 此分量檢測出來并進行積分,積分值為零時即得功率器件的開關信號。 一種辦法是:在星型連接的電動機繞組三個端子并聯一組星型連接電 阻,兩個中性點之間的電壓即為三次諧波分量。然而,當電動機的中性 點沒有引出線或不便引出時,不能用這種辦法。 另一種辦法:不需要三相繞組的中性點引線,而是用星型電阻中性 點與直流側的中點之間的電壓來獲得三次諧波電壓,不過它要用濾波器 來消除高頻分量。 實驗表明,這種方法比上述的直接反電勢過零檢測法具有更寬的運 行范圍,可在5%額定轉速下穩定運行,而直接反電勢法必須在20%的 額定轉速下才有效。另外它對過載也具有更強的魯棒性。 二、無位臵傳感器無刷直流電動機控制系統的構成 圖5-23是采用反電勢法構成的無位臵傳感器無刷直流電動機控制系統, 從電動機三相繞組的端點取出三相反電勢,經過過零檢測和30°移相,得 到了換向控制信號,此信號經過功率放大,就可以用來驅動電子換向器中 的開關管。 1 4 3 6 5 ~ 2 UN Ua Ub Uc 比 較 電 路 移 相 電 路 驅 動 電 路 圖5-23 采用反電動勢法構成的 無位臵傳感器無刷直流電動機控制系統 圖5-24是采用定子三次諧波法構成的無位臵傳感器無刷直流電動機 控制系統,通過檢測星型連接的電阻網絡的中點與直流側的中點之間的 電壓信號,獲得三次諧波分量,通過濾波和積分得到了信號SCB,利用 SCB的過零點信息,可以得出換相的時刻。 1 4 3 6 5 2 ~ 濾波 積分 過零 檢測 1 2 3 4 5 6 驅動 換相 邏輯 圖5-24 采用定子三次諧波法構成的無位臵傳 感器無刷直流電動機控制系統 第6節 無刷直流電動機驅動控制的專用芯片介紹 應當指出,近幾年來無刷直流電動機得到迅速推廣應用的主要原 因之一是大量的專用控制電路芯片和功率集成電路芯片的出現。 各國著名的半導體廠商推出了多種不同規格和用途的無刷直流電 動機專用芯片,這些功能齊全、性能優良的專用集成電路芯片,為無 刷直流電動機的大量的推廣應用創造了條件。 大多數專用芯片的功率控制是采用PWM方式。電路內設臵有頻 率可設定的鋸齒波振蕩器、誤差放大器、PWM比較器和溫度補償基 準電壓源等。 對于橋式全波驅動電路,常只對下橋臂開關進行脈寬調制。 少數低功率的專用芯片中,末級功率晶體管工作于線性放大 區,線性放大器工作方式的功耗比PWM開關工作方式的功耗高得多, 但噪聲會明顯減小。 表5-3中列出了目前常用的一些無刷電動機專用芯片的生產廠商和工 作特性。

    此文關鍵字:無刷電機控制
    首頁 | 公司簡介 | 新聞中心 | 產品中心 | 企業風采 | 走進我們 | 聯系我們
    人妻中文字幕