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    直流無刷電動機工作原理與控制方法

    文章出處: 人氣:發表時間:2020-01-01 20:58

      因為直流無刷電念頭既具有換取電念頭的構造方便、運轉牢靠、保護利便等一系列好處,又具有直流電念頭的運轉效勞高、無勵磁消耗和調速職能好等諸眾好處,故正在現今邦平易近經濟各范圍使用日趨普及。

      一個眾世紀此后,電動靈活作電機能量轉換裝配,其使用限度已普及邦平易近經濟的各個范圍和人們的平素存在中。其首要類型有同步電念頭、異步電念頭和直流電念頭三種。因為古代的直流電念頭均采取電刷以死板形式舉辦換向,于是存正在相對的死板磨擦,由此帶來了噪聲、火葬、無線電騷擾和壽命短等弱點,再加上創修本錢高及維修貧苦等差池,從而年夜年夜限度了它的使用限度,導致今朝工農業臨盆上年夜年夜都均采取三相異步電念頭。

      針對上述古代直流電念頭的弊端,早正在上世紀30年月就有人最先研制以電子換向取代電刷死板換向的直流無刷電念頭。顛末了幾十年的起勁,直至上世紀60年月初終究告終了這一志氣。上世紀70年月此后,跟著電力電子產業的飛速開展,很眾高職能半導體功率器件,如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等接踵呈現,和高職能永磁質料的問世,均為直流無刷電念頭的通俗使用奠基了堅實的基本。

      直流無刷永磁電念頭首要由電念頭本體、地位傳感器和電子開閉線途三部門構成。其定子繞組凡是制成眾相(三相、四相、五相不等),轉子由恒久磁鋼按必然極對數(2p=2,4,…)構成。圖1所示為三相南北極直流無刷機電構造,

      三相定子繞組劃分與電子開閉線途中響應的功率開閉器件聯絡,A、B、C相繞組劃分與功率開閉管V1、V2、V3接連。地位傳感器的跟蹤轉子與電念頭轉軸相聯絡。

      當定子繞組的某一相通電時,該電流與轉子恒久磁鋼的磁極所發作的磁場互相感化而發作轉矩,驅動轉子回旋,再由地位傳感器將轉子磁鋼地位變換成電旌旗燈號,往駕馭電子開閉線途,從而使定子各項繞組按必然紀律導通,定子相電流隨轉子地位的轉變而按必然的紀律換相。因為電子開閉線途的導通紀律是與轉子轉角同步的,于是起到了死板換向器的換向感化。

      圖2為三相直流無刷電念頭半控橋電途道理圖。此處采取光電器件動作地位傳感器,以三只功率晶體管V1、V2和V3組成功率邏輯單位。

      三只光電器件VP1、VP2和VP3的裝置地位各相差120度,平均散布正在電念頭一端。借助裝置正在電念頭軸上的回旋遮光板的感化,使從光源射來的光輝一次映照正在各個光電器件上,并遵守某一光電器件是不是被映照到光輝來判決轉子磁極的地位。

      圖2所示的轉子地位和圖3 a)所示的地位相對應。因為此時廣電器件VP1被光映照,從而使功率晶體V1呈導通形態,電流流進繞組A-A’,該繞組電流同轉子磁極感化后所發作的轉矩使轉子的磁極按圖3中箭頭宗旨動彈。當轉子磁極轉到圖3 b)所示的地位時,直接裝正在轉子軸上的回旋遮光板亦隨著同步動彈,并遮住VP1而使VP2受光映照,從而使晶體管V1截至,晶體管V2導通,電流從繞組A-A’中斷開而流進繞組B-B’,使得轉子磁極賡續朝箭頭宗旨動彈。當轉子磁極轉到圖3 c)所示的地位時,此時回旋遮光板仍舊遮住VP2,使VP3被光映照,致使晶體管V2截至、晶體管V3導通,于是電流流進繞組C-C’,因而驅動轉子磁極賡續朝順時針宗旨回旋并回到圖3 a)的地位。

      云云,跟著地位傳感器轉子扇形片的動彈,定子繞組正在地位傳感器VP1、VP2、VP3的駕馭下,便一相一相地順次饋電,告終了各相繞組電流的換相。正在換相過程當中,定子各相繞組正在事業氣隙內所造成的回旋磁場是跳躍式的。這類回旋磁場正在360度電角度限度內有三種磁形態,每種磁形態絡續120度電角度。各相繞組電流與電念頭轉子磁場的互相相干如圖3所示。圖3a)為第一種形態,Fa為繞組A-A’通電后所發作的磁動勢。昭彰,繞組電流與轉子磁場的互相感化,使轉子沿順時針宗旨回旋;轉過120度電角度后,便進進第二形態,這時候繞組A-A’中斷電,而B-B’隨之通電,即定子繞組所發作的磁場轉過了120度,如圖3 b)所示,電念頭定子賡續沿順時針宗旨回旋;再轉120度電角度,便進進第三形態,這時候繞組B-B’中斷電,C-C’通電,定子繞組所發作的磁場又轉過了120度電角度,如圖3 c)所示;它賡續驅動轉子沿順時針宗旨轉過120度電角度后就規復到初始形態。圖4示出了各相繞組的導暢通序的示妄圖。

      地位傳感器正在直流無刷電念頭中起著測定轉子磁極地位的感化,為邏輯開閉電途供應準確的換相音訊,行將轉子磁鋼磁極的地位旌旗燈號轉換成電旌旗燈號,然后往駕馭訂子繞組換相。地位傳感器品種較眾,且各具特征。正在直流無刷電念頭中常睹的地位傳感器有以下幾種:電磁式地位傳感器、光電式地位傳感器、磁敏式地位逼近傳感器。

      電磁式地位傳感器正在直流無刷電念頭中,用得較眾的是啟齒變壓器。用于三相直流無刷電念頭的啟齒變壓器由定子和跟蹤轉子兩部門構成。定子凡是有六個極,它們之的距離劃分為60度,此中三個極上繞一次繞組,并互相串連后通以高頻電源,別的三個極劃分繞上二次繞組WA、WB、WC。它們之劃分相隔120度。跟蹤轉子是一個用非導磁質料做成的圓柱體,并正在它上面鑲一塊120度的扇形導磁質料。正在裝置時將它與電念頭轉軸相聯,其地位對應于某一磁極。一次繞組所發作的高頻磁統統過跟蹤轉子上的到此質料耦合到二次繞組上,故正在二次繞組上發作感到電壓,而別的兩相二次繞組因為無耦合回途統一次繞組相聯,其感到電壓根基為零。跟著電念頭轉子的動彈,扇形片也隨著回旋,使之脫離目前耦合一次繞組而向下一個一次繞組接近。就云云,跟著電念頭轉子活動,正在啟齒變壓器二次繞組上劃分感到出電壓。扇形導磁片的角度凡是略年夜于120度電角度,常采取130度電角度操縱。正在三相全控電途中,為了換相譯碼器的必要,扇形導磁片的角度為180度電角度。同時,扇形導磁片的個數應同直流無刷電念頭的極對數相當。

      逼近開閉式地位傳感器首要由諧振電途及扇形金屬轉子兩部門構成,當扇形金屬轉子逼近震 蕩回途電感L時,使該電途的Q值低落,致使電途正反應虧欠而停振,故輸出為零。扇形金屬轉子脫離電感元件L時,電途的Q值最先上升,電途又從新起振,輸出高頻調制旌旗燈號,經二極管檢波后,掏出有效駕馭旌旗燈號,往駕馭邏輯開閉電途,以確保電念頭準確換向。

      光電式地位傳感器前面仍舊講過,是操縱光電效應制成的,由隨同電念頭轉子一同回旋的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件構成。

      磁敏式地位傳感器是指它的某些電參數按必然紀律隨四周磁場轉變的半導體敏銳元件。其根基道理為霍爾效應和磁阻效應。常睹的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電途、磁敏電阻器及磁敏二極管等眾種。

      霍爾元件發作的電動勢很低,直接使用很倒霉便,本質使用時采取霍爾集成電途?;魻栐敵鲭妷旱臉O性隨磁場宗旨的轉變而轉變,直流無刷電念頭的地位傳感器選用開閉型霍爾集成電途。磁阻效應是指元件的電阻值隨磁感到強度而轉變,憑據磁阻效應制成的傳感器叫磁阻電阻。

      三相直流無刷電念頭的運轉特質要非常切確地判辨直流無刷電念頭的運轉特質,是很貧苦的。凡是工程使用中均作以下假定:(1)電念頭的氣隙磁感到強度沿氣隙按正弦散布。(2)繞組通電時,該電流所發作的磁通對氣隙所發作的影響渺視不計。(3)駕馭電途正在開閉形態下事業,功率晶體管壓降 為恒值。(4)各繞組對稱,其對應的電途齊備一律,響應的電氣時辰常數渺視不計。(5)地位傳感器等駕馭電途的功耗渺視不計。因為假定轉子磁鋼所發作的磁感到強度正在電念頭氣隙中是按正弦紀律散布的,即B=BMsinθ 。云云,若是定子某一相繞組中通一絡續的直流電流,所發作的轉矩為TM=ZDLBMrIsinθ式中, ZD——每相繞組的有用導體數;L——繞組中導線的有用長度,即磁鋼長度;r——電念頭中氣隙半徑;I——繞組相電流。即是說某一相通以穩固的直流后,它和轉子磁場感化所發作的轉矩也將隨轉子地位的分歧而按正弦紀律轉變,如圖5所示。

      圖5 正在恒定電流下的單相轉矩它對外負載講,所得的電念頭的均勻轉矩為零。但正在直流無刷電念頭三相半控電途的事業狀況下,每相繞組中經由過程1/3周期的矩形波電流。該電流和轉子磁場感化所發作的轉矩也只是正弦轉矩弧線周期的一段,且這一段弧線與繞組最先通電時的轉子相對地位相閉。昭彰正在圖6 a所示的剎那導通晶體管,則可發作最年夜的均勻轉矩。由于正在這類狀況下,繞組通電120度的時辰里,載流導體正益處正在較量強的氣隙磁場中。是以它所發作的動彈脈動最小,均勻值較年夜。習氣上把這一點選作晶體管最先導通的基準點,定為 。正在 =0度的狀況下,電念頭三相繞組輪替通電時所發作的總轉矩如圖6b 所示。

      圖6 三相直流無刷電念頭半空橋轉矩如若晶體管的導通時辰提早或滯后,則均將致使轉矩的脈動值擴年夜,均勻值減小。當 =30度時,電念頭的瞬時轉矩過零點,這即是說,當轉子轉到某幾個地位時,電念頭發作的轉矩為零,電念頭起動時會產存亡點。當 ≥30度后,電念頭轉矩的瞬時價將呈現負值,則總輸出轉矩的均勻值更小。于是,正在三相半控的狀況下,希罕是正在起動時, 不宜年夜于30度,而正在直流無刷電念頭平常運轉時,老是盡利巴 角調度到0度,使電念頭發作的均勻轉矩最年夜。當 =0度時,可能求得輸出轉矩的均勻值 :

      電念頭正在電動轉矩的感化下動彈后,回旋的轉子磁場就要切割定子繞組,正在各相繞組上感生出電動勢,當其轉速n穩固時,該電動勢波形也是正弦波,相位同轉矩相位一律。正在本電途中,每相繞組正在一個周期中只通電 ,于是僅正在這 時期對外加電壓起感化。是以對外加電壓而言,感生電動勢波形如圖7所示。

      圖7 三相直流無刷電念頭半控電途的反電動勢同理可按下式求得感生電動勢的均勻值 :

      從上面的均勻轉矩和均勻反電動勢,即可求得直流無刷電念頭安靖運轉時的電壓均衡方程式,為此起初界說反電動勢系數和轉矩系數:

      對待某個簡直的電念頭,它們為常數。固然,其巨細同主回途的接法和功率晶體管的換相方法相閉。

      式中 n——電念頭轉速(r/min );U——電源電壓(V);△U—— 功率管管壓降(V);Kc——電動勢系數;Ta——電念頭發作的電動轉矩均勻值(N?m);KT——轉矩系數;R——電念頭的內阻(Ω)。正在三相半控電途中,其轉矩的振動正在TM到TM/2 之,這是直流無刷電念頭倒霉的一邊。

      三相直流無刷電念頭的使用三相半控電途常睹的三相半控電途如圖8所示,圖中LA、LB、LC為電念頭定子A、B、C三相繞組,VF1、VF2、VF3為三只MOSFET功率管,首要起開閉感化。H1、H2、H3為來自轉子地位傳感器的旌旗燈號。如前所述,正在三相半控電途中,條件地位傳感器的輸出旌旗燈號1/3周期為高電平,2/3周期為低電平,并條件各傳感器旌旗燈號之的相位也是1/3周期。

      圖8 三相半控橋電途和凡是電念頭一律,正在電念頭起動時,因為其轉速很低,故轉子磁通切割定子繞組所發作的反電動勢很小,于是恐怕發作過年夜電流I。為此,平日必要附加限流電途,圖9為常睹的一種,圖中的電壓較量器,首要用來限度主回途電流,當經由過程電念頭繞組的電流I正在反鎖電阻Rf上的壓降IRf年夜于某給定電壓U0時,較量器輸出低電平,同時閉中斷了VF1、VF2、VF3 三只功率場效應晶體管,即割中斷了主電途。當IRf《U0時,較量器不起任何感化。當IRf〈U0時,較量器輸出高電平,這時候它不起任何感化。I0=U0/Rf即是所要限度的電流最年夜值,其年夜藐視簡直條件而定。凡是取額定電流的2倍操縱。

      圖9 起動電流的限度三相Y聯絡電途三相半控電途構造方便,但電念頭本體的操縱率很低,每一個繞組只通電1/3周期,沒有獲得充斥的操縱,并且正在運轉中轉矩振動較年夜。正在條件較高的地方,凡是均采取如圖10所示的三相全控電途。三相全控電途有兩兩換相和三三換相兩種方法

      圖10 三相全控電途正在該電途中,電念頭的三相繞組為Y聯絡。如采取兩兩通電方法,當電流從功率管VF1和VF2導通時,電流從VF1流進A相繞組,再從C相繞組經VF2流回到電源。若是認定流進繞組的電流所發作的轉矩為正,那末從繞組所發作的轉矩為負,他們合成的轉矩巨細為 ,宗旨正在Ta和-Tc角等分線通電。這時候,電流從VF3流進B相繞組,再從C相繞組流出經VF2回到電源,此時合成的轉矩巨細一樣為 。但合成轉矩T的宗旨轉過了60度電角度。然后每次換相一個功率管,合成轉矩矢量宗旨就跟著轉過60度電角度。是以,采取三相Y聯絡全控電途兩兩換相方法,合成轉矩擴年夜了 倍。每隔60度電角度換相一次,每一個功率管通電120度,每一個繞組通電240度,此中正向通電和反向通電各120度。其輸出轉矩波形如圖11所示。從圖中可能看出,三相全控室的轉矩振動比三相半控時小,從0.87Tm到Tm。

      圖11 全控橋輸出波形圖三三通電方法,這類通電的按次為VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3。當VF6VF1VF2導通時,電流從VF1管流進A相繞組,經B和C相繞組劃分從VF**VF2流出。顛末60度電角度后,換相到VF1VF2VF3通電,這時候電流劃分從VF1和VF3流進,經A和B相繞組再流進C相繞組,經VF2流出。正在這類通電方法里,每剎那均有三個功率管通電。每隔60度換相一次,每次有一個功率管換相,每一個功率管通電180度。合成轉矩為1.5Ta.三相Δ聯絡電途也能夠分為兩兩通電和三三通電兩種駕馭方法。兩兩通電方法的通電按次是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1、VF1VF2,當VF1VF2導通時,電流從VF1流進,劃分經由過程A相繞組和B、C兩相繞組,再從VF2流出。這時候繞組的聯絡是B、C兩相繞組串連后再通A相繞組并聯,若是假定流過A相繞組的電流為I,則流過B、C相繞組的電流劃分為I/2。這里的合成轉矩為A相轉矩的1.5倍。三三通電方法的按次是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3,當VF6VF1VF2通電時,電流從VF1管流進,同時經A和B相繞組,再劃分從VF**VF2管流出,C相繞組則沒有電流經由過程,這時候相當于A、B兩相繞組并聯。這時候相當于A、B兩繞組并聯,合成轉矩為A相轉矩的倍。直流無刷電念頭的微機駕馭圖12示出采取8751單片機來駕馭直流無刷電念頭的道理框圖。8751的P1口同7406反相器聯絡駕馭直流無刷電念頭的換相,P2口用于丈量來自于地位傳感器的旌旗燈號H1、H2、H3,P0口外接一個數模轉換器。

      圖12 直流無刷電念頭打算機駕馭道理圖換相的駕馭憑據定子繞組的換相方法,起初尋得三個轉子磁鋼地位傳感器旌旗燈號H1、H2、H3的形態,與6只功率管之的相干,以外格情勢放正在單片機的EEPROM中。8751憑據來自H1、H2、H3的形態,可能找到相對應的導通的功率管,并經由過程P1口送出,便可告終直流無刷電念頭的換相。起動電流的限度主回途中串進電阻R13,于是Uf=R13*IM,其巨細正比于電念頭的電流IM。而Uf和數模轉換器的輸出電壓U0劃分送到LM324運算放年夜器的兩個輸進端,一但反應電壓年夜于Uf年夜于來自數模轉換的給定旌旗燈號U0,則LM324輸出低電平,使主回途中3只功率管VF4、VF6、VF2不克不及導通,從而截中斷直流無刷電念頭定子繞組的完全電流利途,迫使電動電機流低落,一朝電流低落到使Uf小于U0,則LM324輸出回到高電平。主回途又具有導通才具,起到了限度電流的感化。轉速的駕馭正在直流無刷電念頭平常運轉的過程當中,只消經由過程駕馭數模轉換器的輸出電壓U0,便可駕馭直流無刷電念頭的電流,進而駕馭電念頭的電流。即8751單片機經由過程傳感器旌旗燈號的周期,打算出電念頭的轉速,并把它同給定轉速較量,如高于給定轉速,則減小P2口的輸出數值,低落電動電機流,抵達低落其轉速的目標。反之,則增年夜P2口的輸出數值,進而增年夜電念頭的轉速。PWM駕馭的告終轉速駕馭也能夠經由過程PWM方法來告終。圖13和圖14為PWM駕馭告終直流無刷電念頭轉速的駕馭。

      圖14 PWM駕馭道理圖直流無刷電念頭的正轉反轉,經由過程更動換相紀律來更動其動彈宗旨。簡直做法只必要替換一下換相駕馭外。變構造駕馭的告終當直流無刷電念頭處于起動形態或正在調度過程當中,采取直流無刷電念頭的運轉形式,以告終動態響應的疾捷性,一朝電念頭的轉速到了給定值四周,立地把它轉進同步電念頭運轉形式,以確保其穩速精度。這時候打算機只必要按必然頻率駕馭電念頭的換相,與此同時,打算機正在經由過程地位傳感器的旌旗燈號周期,來丈量其轉速巨細,并判決它是不是跌出同步。一朝失落布,則立地轉到直流無刷電念頭運轉,并從新將其拉進同步。襄陽國鐵!直流無刷電動機工作原理與控制方法

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