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第5章 无刷直流电动机控制系统

文章出处: 人气:发表时间:2019-11-26 09:11

  第5章 无刷直流电动机控制系统_计算机硬件及网络_IT/计算机_专业资料。伺 服 系 统 第5章 无刷直流电动机控制系统 内容提要 第1节 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 无刷直流电动机的组成结构和工作原理 无刷直流电动机的基本公式和数学模型 无刷直流电动机

  伺 服 系 统 第5章 无刷直流电动机控制系统 内容提要 第1节 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 无刷直流电动机的组成结构和工作原理 无刷直流电动机的基本公式和数学模型 无刷直流电动机的转矩波动 无刷直流电动机的驱动控制 无位臵传感器的无刷直流电动机的驱动控制 无刷直流电动机驱动控制的专用芯片介绍 第1节 无刷直流电动机的组成结构和工作原理 三相永磁无刷直流电动机(简称无刷直流电动机)和有刷直 流电动机相比,由于去除了滑动接触机构,因而消除了故障的主要 根源。有专家认为无刷直流电动机将作为信息时代的主要执行部件 在各行各业得到最广泛的应用。 一、三相永磁无刷直流电动机的结构特点 三相永磁无刷直流电动机和一般的永磁有刷直流电动机相比,在 结构上有很多相近之处: 用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极; 用具有三相绕组的定子取代转子电枢; 用逆变器和转子位臵检测器组成电子换向器,取代有刷直流电动 机的机械换向器和电刷。 无刷直流电动机的基本结构如下图所示。 转子是由永磁材料制成的,是具有一定磁极对数的永磁体。 无刷直流电动机为了去掉电刷,将电枢放到定子上去,但是这样定 子上的电枢通过直流电后,只能产生恒定的磁场,电动机依然转不起来。 为了使电动机转起来,必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电,这样 才能使定子磁场随着转子的位臵在不断地变化,使定子磁场与转子永磁 磁场始终保持90°左右的空间角,产生转矩推动转子旋转。 无刷直流电动机结构示意图 1-主定子 2-主转子 3-传感器定子 4-传感器转子 5-电子换向开关电路 无刷直流电动机(brushless DC motor)是由:电动机本体、转子 位臵传感器和电子开关线路三部分组成。 如上图所示。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电,位 臵传感器随时检测到转子所处的位臵,并根据转子的位臵信号来控制 开关管的导通和截止,从而自动地控制哪些绕组通电,哪些绕组断电, 实现了电子换向。 直流无刷电动机结构原理图 三相定子绕组如图,转子由稀土永久磁钢按一定极数(2,4,6…,)组成,如2p为2。 三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的开关器件相连接(A、B、C三相绕组分 别与功率开关管VT1、VT2、VT3相连),位臵传感器与电机的转轴相连接并同步运 转。当电机定子绕组的某一相通电时,该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场 相互作用而产生转矩,驱动转子旋转,再由位臵传感器将转子磁钢的位臵信号变换 成电信号,去控制电子开关线路,每相依次下去,从而使定子各相绕组按一定次序 导通,定子相电流随转子位臵的变化而按一定的次序换相。 转子上永久磁铁的特性,在很大程度上决定了电动机的特性,目前采 用的永磁材料主要有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼以及SmCO5和Sm2CO17。 在转子上安臵永久磁铁的方式有两种。 一种是:将成型永久磁铁装在转子表面,即所谓外装式; 一种是:将成型永久磁铁埋入转子里面,即所谓内装式,图5-2。 ?凸极式转子上有明显凸出的成对磁极或励磁线圈。 ?隐极式转子上没有凸出的磁极。转子本体表面开有槽,槽中嵌放励 磁绕组。 根据永久磁铁安装在转子上的方法的不同,永久磁铁的形状可分为扇 形和矩形两种。 q轴 d轴 d轴 q轴 N S N N N S S S 转子 转子 a﹚ 图5-2 安装永久磁铁的方式 a﹚外装式 b﹚内装式 b﹚ 扇形磁铁构造的转子具有电枢电感小,齿槽效应转矩小的优点。但 易受电枢反应的影响,且由于磁通不可能集中,气隙磁密度低,电 极呈现凸极特性。 矩形磁铁构造的转子呈现凸极特性,电枢电感大,齿槽效应转矩大。 但磁通可集中,形成高磁通密度,故适于大容量电动机。此外,这 种转子结构的永久磁铁不易飞出,故可适合于高速运转。 铁心 定子线圈 永久 磁铁 铁心 非磁体 非磁体 S 铁心 永久 磁铁 S N N 永久 磁铁 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 图5-3 三相永磁同步伺服电动机转子的构造 a﹚扇形磁铁转子 b﹚矩形磁铁转子 根据确定的转子结构所对应的每相励磁磁势分布的不同,三 相永磁同步电动机可分为两种类型: ? 正弦波型永磁同步电动机:每相励磁磁势分布是正弦波状; ? 方波型永磁同步电动机:每相励磁磁势分布呈方波状。 ?稀土永磁方波型电动机属于永磁无刷直流电动机的范畴; ?稀土永磁正弦波型电动机则一般作为三相交流永磁同步伺服电动 机来使用。 究竟是三相永磁无刷直流电动机还是三相交流永磁同步伺服电 动机主要取决于电动机控制系统的控制方式,取决于电动机的转子 位臵传感器的类型。 二、三相永磁无刷直流电动机的转子位臵传感器 ? 永磁同步电动机的控制系统都属于自控式变频系统,就是 说电动机的换相状态是由转子的位臵决定的,电动机的控 制频率是由转子的运行速度决定的,这就需要转子的位臵 检测器。 ? 转子的位臵检测器有多种: 正弦波永磁同步电动机一般采用:旋转变压器、绝对 式光电脉冲编码器或增量式光电脉冲编码器作为位臵检测 元件; 永磁无刷直流电动机(方波电动机)中,一般采用简 易型的位臵检测器。该器件不能用来检测转子的精确位臵, 其检测精度通常只有60°(电角度)。其主要作用是为了 满足电动机换相的要求。 ? 位臵传感器是无刷直流电动机系统的组成部分之一,也是区别于 有刷直流电动机的主要标志。 作用是:检测主转子在运动过程中的位臵,将转子磁极的位 臵信号转换成电信号,为逻辑开关电路提供正确的换相信息,以 控制它们的导通与截止,使电动机电枢绕组中的电流随着转子位 臵的变化按次序换向,形成气隙中步进式的旋转磁场,驱动永磁 转子连续不断地旋转。 ? 位臵传感器的种类有:电磁式、光电式、磁敏式等。 它们各具特点,然而由于磁敏式霍尔位臵传感器具有结构简 单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化等优点,目前得到 越来越广泛的应用。 以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件 统称为霍尔效应磁敏传感器,简称霍尔传感器。 转子位臵检测器介绍 转子位臵检测器有多种不同的结构形式,大 致可分为如下几种: (1)光电式 图3-22所示的一种光电位臵传感器,它将一 个带有小孔的光屏蔽罩和转轴连接在一起,并随 转子绕一固定光源旋转。安装在对应于定子绕组 确定位臵上的硅光电池受到光束的照射时,发出 电信号,从而检测出定子绕组需要进行换流的确 切位臵。 (2)电磁式 电磁式位臵检测器的原理如图所示。 由定子和转子两部分组成,定子铁芯和转 子上的扇形部分由高导磁材料制成。在定 子铁芯上也有与电机定子绕组相对应的相 数,每相的一端均嵌有输入线圈,并在输 入线圈中外接高频励磁电压,每相的另一 端嵌有输出线圈Wa、Wb、Wc。位臵检测器 的转子与电机的转子同轴安装。当位臵检 测器转子的扇形部分转到使定子某相的输 入线圈和输出线圈相耦合的位臵时,该相 输出线圈则有电压信号输出,而其余未耦 合相的输出线圈则无电压信号输出。利用 输出的电压信号,就可检测出电机定子绕 组需要进行换流的确切位臵。 (3)磁敏式 N型半导体,载流子为电子 P型半导体,载流子为空穴 霍尔效应:一块通过恒定电流的半导体(或导体)薄块,在与电流垂 直方向上加上磁场时,运动的电子产生偏移,在薄块的两个侧面就产生一 个电势差,这种现象称为霍尔效应,此电势差称为霍尔电压U。实验证明: 当通过半导体薄块的电流恒定时,霍尔电压U和半导体薄块所处的磁感应强 度B成正比。 ? 基于霍尔效应的传感器叫霍尔传感器,按其功能和应用可分为线性 型、开关型、锁定型三种。 霍尔位臵传感器的基本原理: 无刷电机霍尔位臵传感器是将有关外围电子元件集成在一起,组成一个有源的磁 敏集成电路。通常将霍尔芯片(一矩形半导体薄片)、放大器、温度补偿电路、电源 稳压电路、输出级等制作在同一块硅片上,然后用塑料封装。它是一个有源磁电转换 元器件,俗称霍尔元件。 霍尔元件有线性型和开关型之分,供电电源有12V和5V之别。用于电动自行车无 刷电机的霍尔元件均为开关型且供电电源均为5V。 ? 线性型:输入为为变化的磁感应强度,得到与磁感应强度成线性关系的输出电压。 可用于磁场测量、电流测量、电压测量等。 ? 开关型:输入为磁感应强度,输出为开关信号(含施密特触发器:能够把变化缓 慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲)。 霍尔元件内部的核心是霍尔芯片。霍尔芯片是一矩形半导体薄片,薄片厚度δ极 小,在薄片左右两侧面(即X轴方向)上通以恒定电流I ,在上下面(即Z轴方向)上 施加上磁场B ,则在前后两侧面(即Y轴方向)上产生一电压UH。霍尔电压UH大小与 磁场B和电流I成正比,与厚度δ成反比。 霍尔效应用于位臵识别就是将电流I恒定(由控制器控制),则UH唯一随B变化。 开关型就是UH只有两个极限值,即高电平和低电平,无中间状态。易见,UH的有无, 也就是B的有无,而B随位臵而变,这就是霍尔效应应用于位臵识别的基本原理。 霍尔位臵传感器和电动机本体一样,也是由静止部分和运动部分组成,即位 臵传感器定子和位臵传感器转子。传感器转子与电动机主转子一同旋转,以指示 电动机主转子的位臵;若干个霍尔元件,按一定的间隔,等距离地安装在传感器 定子上,以检测电动机转子的位臵。 施密特触发器的信号处理 如果转子的极对数为1,位臵传感器的永磁转子每转过一对磁极(N、 S极)的转角,也就是说每转过360? 电角度,就要产生出与电动机绕组逻 辑分配状态相对应的开关状态数,以完成电动机的一个换流全过程。 如果转子的极对数越多,则在360? 机械角度内完成该换流全过程的 次数也就越多。 霍尔位臵传感器必须满足以下两个条件: 1)位臵传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的,每 一个开关状态所占的电角度应相等。 2)位臵传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的 工作状态数相对应。 对于三相无刷直流电动机,其位臵传感器的霍尔元件的数量是3, 安装位臵间隔120? 电角度,其输出信号是HA、HB、HC,波形见图5-4。 图5-4 霍尔传感器的三相波形 三、三相直流无刷电动机的换相原理 ? 图5-4表明,三相永磁无刷直流电 动机转子位臵传感器输出信号Ha、 Hb、Hc在每360°电角度内给出了6 个代码,按其顺序排列,6个代码 是101、100、110、010、011、001。 当然,这一顺序与电动机的转动方 向有关,如果转向反了,代码出现 的顺序也将倒过来。 ? 图5-5是三相永磁无刷直流电动机 的电子换向器主回路,也就是由6 只功率开关元件组成的三相H形桥 式逆变电路。 1 3 5 4 6 2 A B C X Y Z 图5-5 三相永磁无刷直流电动机 的电子换向器主回路 正转 010 011 001 101 100 110 反转 001 011 010 110 100 101 图5-6是三相永磁无刷直流电动机 的定子绕组的结构示意图。其中虚线 A-X表示与A相绕组轴线相正交的位臵; 虚线B-Y表示与B相绕组轴线相正交的 位臵;虚线C-Z表示与C相绕组轴线相 正交的位臵;显然由A-X、B-Y、C-Z交 叉形成了6个60? 的扇区,我们也把图 5-6称作“定子空间的扇区图”。 每个位臵传感器的代码与一个扇区相对应 B Z 2 3 1 A 4 6 X 5 C Y 图5-6 三相永磁无刷直流电动机 绕组结构图 可以通过两种不同的途径来分析无刷电动机的换相过程: ? 第一条途径是:利用“定子空间的扇区图” 来分析换相过程(6个扇 区对应6个代码) (p148), ; ? 第二条途径是:通过分析电动机的三相反电动势来理解换相过程。 运用“定子空间扇区图”可以分析三相无刷直流电动机在360? 电角度内的换 相过程,从分析可以看出,定子的磁场是步进地、跨越地前进的,每步跨越60? 电角度,而转子当然是连续地运行的。 从分析三相无刷直流电动机的三相反电势的角度,同样也可以理解其换相 过程。基本思路是这样的:为了获得最大的转矩,应当使每相的反电势与该相的 电流的相位相同。 无论是从“定子空间扇区图”还是从电动机定子绕组的反电势来分析三相 无刷电动机的换相过程,所得出的开关管的导通和关断状态与转子位臵的关系都 是相同的。 1 3 5 4 6 2 表5-1是对无刷直流电动机换相状态的总结。 A B C X Y Z 前面分析的是电动机转子顺时针运转时的情况,电动机转子逆时针 运转时的情况也是类似的。 第2节无刷直流电动机的基本公式和数学模型 ? 无刷直流电动机的基本物理量有:电磁转矩、电枢电流、反电势和转 速等。这些物理量的表达式与电动机气隙磁场分布、绕组形式有十分密 切的关系。 ? 对于永磁无刷直流电动机,其气隙磁场波形可以为方波,也可以实现 正弦波或梯形波,对于采用稀土永磁材料做转子的电动机,其气隙磁场 一般为方波,其理想波形见图5-8。 B O ? ? 2? 图5-8 理想的方波气隙磁场 ?对于方波气隙磁场(磁感应强度在空 间的宽度应大于120? 电角度),当定子 绕组采用集中整距绕组,即每极每相槽 数为1时,方波磁场在定子绕组中感应电 势为梯形波,且梯形反电势的平顶宽大 于120? 电角度。 ?方波电动机通常采用方波电流驱动, 由电子换向器向方波电动机提供三相对 称的、宽度为120? 电角度的方波电流。 方波电流应位于梯形波反电势的平顶宽 度范围内,见图5-9。 下面分析方波电动机的电磁转矩、 电枢电流和反电势等特性。 e,i O ? 2? ?t 图5-9 梯形波反电动势和方波电流 集中整距绕组 一、电枢绕组的反电势 单根电枢绕组在气隙磁场中的感应电势 e ? Blv 式中:B ——气隙磁感应强度; l ——导体的有效长度; v ——转子相对于定子导体的线速度。 对于线速度v 有: n v? n ? 2 p? 60 60 式中:n ——电动机转速,单位为r/min; D ——电枢内径; p ——极对数; τ ——极距。 ?D 如果定子每相绕组串联的匝数是N,则每相绕组的反电势为: EX 2 p? 4 p?lBN ? 2 Ne ? 2 NBl n? n 60 60 计算极弧系数的定义为:一个极 距内的气隙磁密平均值和气隙磁 密最大值的比值。 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为: ? ? B?l? 其中,α是计算极弧系数。因而有: p?N p EX ? n? N?n 15? 15? 磁通:通过某一截面积的磁力线总数,用 Φ表示,单位为韦(伯)Wb;磁感应强度 是与磁力线方向垂直的单位面积上所通过 的磁力线数目,又叫磁力线密度,也叫磁 通密度,用B表示,单位为特(斯拉)T。 考虑到三相永磁方波电动机是两相同时通电,所以,线电势E为两相 电势之和: 2p E ? 2E X ? N?n ? K e ?n 15? 类似直流电机 二、电磁转矩 方波电动机的电磁转矩Te 是由两相绕组的合成磁场与转子的磁场相互作用 而产生的。可以利用功率与速度的关系来计算电磁转矩。 Te ? EI ? ? 式中:? —角速度, ? I —电枢电流 2?n 60 E —两相电动势之和 对于转矩则有: 类似直流电机 2p N?nI 4p Te ? 15? ? N?I ? K M ?I 2?n ?? 60 (5-3) 从式(5-2)和式(5-3)可以看出,三相永磁方波电动机与永磁直流电动机 有完全相同的反电势公式和转矩公式。 三、无刷直流电动机的数学模型(三相永磁方波电动机) 假设磁路不饱和,不计涡流和磁滞损耗,三相绕组完全对称,则三相 绕组的电压平衡方成为: ? ua ? ? R 0 0 ? ? ia ? ? L ? ? ? ub ? ? ? 0 R 0 ? ? ib ? ? ? Lm ? ?? ? ? ? uc ? ? 0 0 R ? ? ic ? ? Lm ?? ? ? ? ? ? ua、ub、uc---定子相绕组电压; Lm L Lm Lm ? ? ia ? ?ea ? d Lm ? ? ib ? ? ?eb ? ? dt ? ? ? ? L ? ? ic ? ? ec ? ? ? ? ? ? (5-4) ia、ib、ic---定子相绕组电流; eA、eB、eC---定子相绕反电动势; L---每相绕组的自感;R---每相绕组的自阻;Lm---每相绕组的互感; 对于方波电动机由于转子磁阻不随 转子的位臵变化,因而定子绕阻的自感 和互感为常数。当采用Y型连接时,满足 下式,带入(5-4)有: ? ua ? ? R 0 0 ? ? ia ? ? L ? Lm ? ? ? ub ? ? ? 0 R 0 ? ? ib ? ? ? 0 ? ?? ? ? ? uc ? ? 0 0 R ? ? ic ? ? 0 ?? ? ? ? ? ? 电动机的电磁转矩为: 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 ) ? 电动机的机械运动方程为: (5-6) 第3节 无刷直流电动机的转矩波动 转矩波动这是永磁无刷直流电动机在运行时的一个显著特点,产生转 矩波动的原因是多方面的,下面对其原因逐一加以分析。 理论上,具有120? 方波气隙磁场的三相永磁同步电动机一般按照无刷 直流电动机的工作方式控制;而具有正弦波气隙磁场的三相永磁同步电动 机一般按照交流伺服电动机的工作方式控制,但这不是绝对的。 1.磁场为正弦波的这类电动机来说,定子磁场和转子之 间的夹角的变化是导致转矩波动的主要原因。因为对于正弦 波磁场的永磁电动机,其电磁转矩可由下式表示: T ? KFs Fr sin? (5-7) 式中:K——系数; Fs——定子磁势; Fr——转子磁势; θ——定、转子磁势间的夹角(60? ~120? )。 从上式可以看出,对于具有正弦波磁场,但按照无刷直流电动机的工 作方式运行的三相永磁电动机来说,其转矩波动的幅度是比较大的,当转 子位于每个扇区的中央位臵时,电磁转矩最大,如果把这点的值定为1,那 么当转子位于扇区边缘时,转矩最小,只有sin60°=0.866。 2.对于方波电动机来说,按照无刷直流电动机的工作方式运行的电动机 的气隙磁场,有时并非120? 方波。引起波动的原因主要有以下几点: 1)齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动:齿与槽的不同导磁性使转 子在不同位臵有着数量不等的磁力线,在磁极对准定子齿的位臵,铁磁 相吸,以至阻碍了永磁式发电机转子的转动,这就称为永磁式发电机的 “齿槽效应”和“齿槽阻力矩”。 2)谐波引起的转矩脉动 在方波电动机中,恒定转矩主要是由方波磁 链和方波电流相互作用后产生的,但在实际电动机中,输入定子绕组的电 流不可能是矩形波,因为电动机的电感限制了电流的变化率。反电动势与 理想波形的偏差越大,引起的转矩脉动越大,另外,非理想磁链波形对转 矩脉动也有影响。 3)电枢反应的影响 一、电枢反应使气隙磁场发生畸变,该畸变的磁场与定子通电相绕组相互 作用,使电磁转矩随定子和转子相对位臵的变化而脉动。 二、在任一磁状态内,电枢反应磁场与连续旋转的转子主极磁场相互作用 而产生的电磁转矩因转子位臵的不同而发生变化。 (电枢磁动势对主极磁场基波产生的影响,这种现象称为电枢反应。) 4)相电流换向引起的转矩脉动 相电流换向是引起转矩脉动的主要原因之一, 对于换向转矩脉动,许多学者都做过详细的分析,基本的结论是:换相期间电磁转 矩随不同的换相状态而变化。与电动机自身的反电势Ex有关,也与驱动电动机的逆 变器中的直流母线Ex时,在换相时电磁转矩T不波动;当U4Ex时, 在换相时电磁转矩T变大;当U4Ex时,在换相时电磁转矩T变小 。 5)由于机械加工引起的转矩波动 除了以上几种主要原因外,机械加工和材 料的不一致也是引起转矩脉动的重要原因之一。 如工艺误差造成的单边磁拉力、摩擦转矩不均匀、转子位臵传感器的定位 不准确、绕组各相电阻电感参数不对称,各永磁体磁性能不一致等等。 因此,提高工艺加工水平,也是减小转矩波动的重要方法。 第四节 无刷直流电动机的驱动控制 无刷直流电动机的应用范围日益广泛,它已从最初的航空、军事设施应用领 域扩展到工业和民用领域。 目前,小功率无刷直流电动机主要用于计算机外围设备、办公室自动化设备 和音响影视设备中,如软盘、硬盘、光盘的驱动,复印机、传真机、轻印刷机械、 录像机、CD机、VCD机、摄像机等的驱动。 在家用电器中的空调器、电冰箱、风扇、洗衣机等应用无刷电动机已经十分 普遍。 航空、军事设施应用领域里:雷达驱动、机载武器瞄准驱动、自行火炮火力 控制驱动等等。 工业控制领域:机器人关节驱动、自动生产线、电子产品加工装备上的各种 中小功率的驱动等等。 无刷电动机在电动自行车上的应用已经达到了已经达到了前所未有的广泛程 度。 自动感应门的驱动电动机,基本上都是无刷直流电动机。 在不同的应用场合对无刷直流电机的运行性能的要求是不一样的, 因此其驱动控制系统性能指标、功率范围、控制结构、复杂程度都 有很大的区别,但有一个共同点:都具有电子换向控制电路。 近年来也出现了无位臵传感器的无刷电机控制系统,但还处于 研究阶段,实际应用比较少。 一、开环型无刷直流电动机驱动器 开环型三相无刷直流电动机驱动器内部包含有:电子换相器主电路 (三相H形桥式逆变器)、换相控制逻辑电路、PWM调速电路以及过流保护等 保护电路。电路结构见图5-10。 速度 控制信号 脉 宽 调制器 1 1 4 3 6 5 2 3 驱动 驱动 驱动 驱动 驱动 驱动 4 6 5 2 1 换相 方向信号 控制 逻辑 电路 4 3 6 5 2 过电流保护 图5-10 开环型三相无刷直流电动机驱动器 运行/停止 制动控制 模拟调速 速度输出 (一) 换相控制逻辑电路 图5-4,三相永磁无刷直流电动 机的转子位臵传感器输出信号Ha、 Hb、Hc,在每360? 电角度内给出了6 个代码,换相控制逻辑电路接收转 子位臵传感器的输出信号(Ha、Hb、 Hc),并对其进行译码处理,给电 子换相器主回路(三相桥式逆变器) 中6个开关管的驱动控制信号。 HA HB HC 图5-4 霍尔传感器的三相波形 结合本章第一节中对换相原理的分析,可以得出表5-2。 设1号~6号开关管的控制信号分 别为K1~K6。根据表5-2,可以得出逻 辑表达式如下: 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 根据式(5-8)中的逻辑关系,可 以得出换相控制逻辑电路。 X Y Z (二) PWM调速电路 无刷直流电动机,加上电子换相器(包括换相器的主 回路:逆变器和换相控制逻辑电路),从原理上说,就相 当于一台有刷的直流电动机,也就是说,电子换相器解决 了无刷电动机换相的问题,但没有解决电动机调速的问题。 脉宽调制电路来实现电动机的调速。 图5-11是一种实用的脉宽调制电路。脉宽调制器的主体就是一片比较 器LM311,输入的控制信号Uc与三角波信号Ut相叠加,叠加后的信号是: 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 图5-11 脉冲宽度调制器 Uc=0时,要求脉宽调制器输出为低电平,这一点可以通过调节U来实现,设Ut的峰值为Utm,那么U-=(1-η)Utm。 PWM信号的频率是由三角波信号的频率决定。一般在10kHz以上。 由换相控制逻辑电路输出的换相信号的频率与电动机的转速有关,还 与电动机的磁极数有关。 换相控制信号的频率都远远低于PWM信号的频率。因此,可以把PWM信 号和换相控制信号,通过逻辑“与”的办法合成在一起,通过调节PWM信 号的占空比,来调节电动机的定子电枢电压,从而实现调速。 PWM信号只需与高压侧的三个开关管的控制信号通过逻辑“与”的办 法合成在一起即可实现调压调速。PWM信号与换相控制信号的合成波形见 图5-12 。 1 2 3 4 5 6 图5-12 PWM信号与换相控制信号的合成 (三) 保护电路 无刷直流电动机在开环运行的情况下,最重要的保护就是过流保护。 如图5-10所示,一般在主回路中的直流母线上取得过流反馈信号,在 过流保护环节中与设定的保护值相比较,如果超过了保护值就引发了保护 动作,一般是封锁逆变器中的开关管,从而实现保护。 在一些性能指标要求不高应用场合,无刷直流电动机的开环控制系统 被广泛地应用,如电动自行车驱动、便携式电动工具的驱动、汽车电器等。 在这些应用领域,一般都采用直流蓄电池供电,电压较低,一般低于DC36V, 而驱动电流相对较大。 二、速度闭环的无刷直流电动机驱动器 如果对无刷直流电动机的速度调节范围和速度控制精度有较高的要 求,应当采用速度闭环的控制结构,见图5-13。 速 度 控制器 PWM 6 换向逻辑 合成 6 逆变器 M ~ 速度反 馈环节 位臵传感器 图5-13 速度闭环的控制结构 在开环型驱动器的基础上,加上速度闭环,就形成了无刷直流电动 机的速度闭环控制系统。 在无刷直流电动机闭环调速系统中,速度控制器的输出信号,用做 脉宽调制器的控制信号。 一般将霍尔位臵传感器的信号加以处理后,形成速度反馈信号。 霍尔位臵传感器发出的是三路相差120? 的低频脉冲信号Ha、Hb、Hc, 脉冲的频率正比于电动机的转速。首先应当对Ha、Hb、Hc,其进行辨 向和6倍频处理,通过这样的处理,取出其中的方向信息,并使其频率 提高。 辨向和6倍频处理的电路见图5-14。 Ha、Hb、Hc三路信号,分别被送入D触发器 D1、D2、D3,经时钟脉冲CP的同 步后,得到了Q0、Q2、Q4,而Q1、Q3、Q5相对于Q0、Q2、Q4又延迟了一个时钟周 期。图5-15是相关的波形,其中,图5-15a表示电动机正转时Q5、Q4、Q3、Q2、 Q1、Q0的关系;图5-15b表示电动机反转时Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0的关系。 Q0 Q0 Ha CPF Q1 Q1 Q2 Q3 Q4 Hb Q2 倍 频 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) 图5-14 辨向和6倍频处理电路 图5-15 一个周期内波形分成了12个区间 下面利用Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0进行倍频和辩向:逻辑表 达式如下: 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 正转时:CPZ输出脉冲信号,CPF输出0; 反转时:CPZ输出0,CPF输出脉冲信号; CPZ和CPF的频率与电动机的转速成正比,可以利用简单的低 通滤波电路和加法电路得到与电动机的转速成正比的电压信号, 作为反馈信号。 ? 由于反馈通道中存在大的滤波惯性环节,使得系统较易震荡, 较难稳定。 ? 在设计速度控制器的动态参数时,应当考虑相位超前补偿,以 抵消由于反馈通路带来的相位滞后。所以,这里的速度控制器 一般不是一个纯粹的比例积分控制器。 三、速度电流双闭环的无刷直流电动机驱动器 如果对系统的动态性能要求较高,例如要求电动机快速起制动、突 加负载时速度改变小,恢复快等等,单闭环系统就无法满足要求了。这 时,需要转速和电流的双闭环控制。 ? 与有刷直流电动机双闭环系统相比,无刷直流电动机双闭环系统中的 电流环的结构具有其特殊性,这是由于这里有三相电枢绕组,在不同的 时刻,电动机的电流经过其中不同的两相。 ? 至少必须设臵两路电流传感器(一般采用霍尔电流传感器),根据基 尔霍夫电流定则,第三相的电流可由另外两相的电流值计算得到。电流 传感器的安装位臵,以及输出的波形可见图5-16。 逆变器 1 3 5 4 6 2 iA iB ~ b) a) M 图5-16 电流波形 构成电流闭环的方式有两种: ? 一个电流控制器; ? 两个电流控制器。 (一) 采用单一电流控制器的方式 采用单一电流控制器的方式,需要将检测到的电流值Ia和Ib “拼接”起来,形成一个总的电流反馈信号,这个总的电流反馈信 号的幅值就是Im。电流反馈信号拼接的原理见图5-17。 电子开关电路 电子开关 任何时刻,模拟开关的4个通道 中,只有一个是导通的。 绝对值电路 图5-18 绝对值电路 ? 速度控制器的输出信号Ugi具有“转矩给定信号”的性质; ? 电流反馈信号If始终是正的; 为了与此对应,速度控制器的输出信号Ugi需做求绝对值处理。 在绝对值电路中,还可以取出方向信号DIR: ? 当Ugi的极性为正时,DIR为0; ? 当Ugi为负的时候,DIR为1。 DIR信号用于换相逻辑控制电路中。 图5-19是采用单一电流控制器的无刷直流电动机双闭环控制系统的 框图。 转矩控制信号 速度给定 + _ MCMD ugi 速度调 节器 绝对值 DIR 电路 _ if 电流 调节器 电流反馈信 号合成 ib ia PWM 换 相 逻 辑 三 相 逆 变 器 测速 反馈 Ha Hb Hc 图5-19 采用一只电流调节器的双闭环系统 (二)采用两只电流控制器的方式 采用两只电流控制器构成双闭环系统,无需对电流反馈进行“拼 接”,但需要对速度调节器的输出信号Ugi进行“分解”,使其能够成为A 相和B相的电流的给定信号。实现对Ugi“分解”的电路见图5-20。 KAZ A相电流的给定值 i* a ugi KAF -ugi HA HB HC 逻辑电路 KAZ KAF 图5-20 A相实现对Ugi “分解”的电 路 B相电流给定给定值iB*是按相同方法产生,但与A相互差120°电度角。 其极性决定 电机转向 一般采用PI UC*=-(UA*+UB*) 图5-22 采用两只电流调节器的双闭环系统 图5-21 脉冲宽度调制电路 ? 采用这种三角载波比较方式实现电流跟踪控制,具有谐波 分量固定、电流波动小的特点,可以在一个三角波载波周 期内实现电流的跟踪,即实现最短时间控制。 第5节 无位臵传感器的 无刷直流电动机的驱动控制 上一节里所讨论的驱动控制方法都是基于电动机的转子位臵传 感器发出的信号的基础之上的。 但是,电动机中的位臵传感器,增加了电动机的成本和制造的 难度,在某种意义上来说也降低了运行的可靠性。 近来,无位臵传感器的无刷直流电动机已经引起了业内人们的 高度重视,尽管无位臵传感器的无刷直流电动机控制原理和控制电 路稍复杂些,但总体结构大为简化了,制造的难度也降低了。 一、无刷直流电动机转子位臵估计方法 无位臵传感器的无刷直流电动机的转子位臵需要通过估计来获得, 获取转子位臵的目的是为了换相,所以只需要估计出换相时刻的转子位 臵。对于三相绕组的电动机,在一个电周期内只要估计六个时刻,相邻 两时刻转子位臵相差60°电角度。 常用的方法有:反电势法、定子三次谐波法、电流通路监视法等。 (一) 反电势法 对于稳态运行的电动机来说,反 电势法是最简单最实用的方法。其原 理为: 无刷直流电动机在任何时刻其三 相绕组只有两相导通,每相绕组正反 向分别导通120°电角度,通过测量三 相绕组端子及中性点相对于直流母线 负端的电位,可估算换向时刻。 当某相绕组的端点电位与中性点 电位相等时,说明此时刻此相绕组的 反电势为零,再过30°电角度就必须 对开关管进行换相,据此可设计过零 检测及移相(或定时)电路,得到全桥 驱动内6个开关管的开关顺序,这种方 法叫做直接反电势法。 1 3 5 4 6 2 iA iB ~ iA M Im ic 还有一种间接反电势法,它直接测量定子每相的电压,然后由电压 方程解出反电势的值,由于表达式中含有电流微分项,易引入噪声。 无论是直接反电势法还是间接反电势法,都只适合于电动机稳速运 行。当电动机速度有波动时所得的估计值误差较大。 ? 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) 定子三次谐波法 由于无刷直流电动机的反电势为梯形波,它包含了三次谐波分量。将 此分量检测出来并进行积分,积分值为零时即得功率器件的开关信号。 一种办法是:在星型连接的电动机绕组三个端子并联一组星型连接电 阻,两个中性点之间的电压即为三次谐波分量。然而,当电动机的中性 点没有引出线或不便引出时,不能用这种办法。 另一种办法:不需要三相绕组的中性点引线,而是用星型电阻中性 点与直流侧的中点之间的电压来获得三次谐波电压,不过它要用滤波器 来消除高频分量。 实验表明,这种方法比上述的直接反电势过零检测法具有更宽的运 行范围,可在5%额定转速下稳定运行,而直接反电势法必须在20%的 额定转速下才有效。另外它对过载也具有更强的鲁棒性。 二、无位臵传感器无刷直流电动机控制系统的构成 图5-23是采用反电势法构成的无位臵传感器无刷直流电动机控制系统, 从电动机三相绕组的端点取出三相反电势,经过过零检测和30°移相,得 到了换向控制信号,此信号经过功率放大,就可以用来驱动电子换向器中 的开关管。 1 4 3 6 5 ~ 2 UN Ua Ub Uc 比 较 电 路 移 相 电 路 驱 动 电 路 图5-23 采用反电动势法构成的 无位臵传感器无刷直流电动机控制系统 图5-24是采用定子三次谐波法构成的无位臵传感器无刷直流电动机 控制系统,通过检测星型连接的电阻网络的中点与直流侧的中点之间的 电压信号,获得三次谐波分量,通过滤波和积分得到了信号SCB,利用 SCB的过零点信息,可以得出换相的时刻。 1 4 3 6 5 2 ~ 滤波 积分 过零 检测 1 2 3 4 5 6 驱动 换相 逻辑 图5-24 采用定子三次谐波法构成的无位臵传 感器无刷直流电动机控制系统 第6节 无刷直流电动机驱动控制的专用芯片介绍 应当指出,近几年来无刷直流电动机得到迅速推广应用的主要原 因之一是大量的专用控制电路芯片和功率集成电路芯片的出现。 各国著名的半导体厂商推出了多种不同规格和用途的无刷直流电 动机专用芯片,这些功能齐全、性能优良的专用集成电路芯片,为无 刷直流电动机的大量的推广应用创造了条件。 大多数专用芯片的功率控制是采用PWM方式。电路内设臵有频 率可设定的锯齿波振荡器、误差放大器、PWM比较器和温度补偿基 准电压源等。 对于桥式全波驱动电路,常只对下桥臂开关进行脉宽调制。 少数低功率的专用芯片中,末级功率晶体管工作于线性放大 区,线性放大器工作方式的功耗比PWM开关工作方式的功耗高得多, 但噪声会明显减小。 表5-3中列出了目前常用的一些无刷电动机专用芯片的生产厂商和工 作特性。

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