永磁无刷直流电机论文（精选8篇）
永磁无刷直流电机论文 篇1
近年来,随着电力电子器件的发展和永磁材料性能的不断提高、价格不断降低,使得永磁无刷直流电机(PM_PDCM)的性能和应用领域得到前所未有的发展[1,2]。如:在电动汽车领域和新能源领域中,由于永磁无刷直流电机具有体积小、效率高、可控性好等优点,使其成为电动汽车电机和光伏水泵中的主流电机。在永磁无刷直流电机的换相过程中,由于电机电感的存在,使得电机电流在换相过程中会发生波动,从而引起电机转矩的波动。对于高速运行的永磁无刷直流电机,若电机电感过大,会导致电机的换相时间在电机运行周期中占的比例过大,甚至会引起电机的换相失败。因此,避免电机换相失败和减小电机的转矩波动对提高永磁无刷直流电机的性能具有重要意义。
目前对永磁无刷直流电机的转矩波动和换相失败进行讨论的文献大多仅限于控制视角。文献[3]通过在线实时计算最佳超前角度来减小电机的转矩波动;文献[4]提出了基于自适应人工神经网络的换相转矩脉动的抑制方法,文献[5]提出了基于自抗扰控制器的无刷直流电机控制系统。文献[6]提出基于直接转矩控制方式来实现转矩脉动的抑制。
本文从系统参数整体优化出发,在研究永磁无刷直流电机主要性能参数与其控制性能的关系基础上,以优化永磁无刷直流电机系统换相性能为目标,提出了永磁无刷直流电机定子电感优化设计方法,并推导出了避免电机换相失败的最大电感值和减小转矩脉动的最小电感值,从而保证永磁无刷直流电机具有良好的换相和动态性能。
1 电感对电机换相的影响分析
1.1 换相时间分析
假设在两相导通三相星形6状态永磁无刷直流电动机中,电机处于理想换相模式,转子每转过60°(电角度)就换相一次[7]。图1给出了AC→BC换相模式的电路图。
假设永磁无刷直流电机相电流的幅值为Is,反电势的幅值为E,电机在ta时刻换相结束。由图1可知,换相前A相和C相电流满足:ia(0+)=-ic(0-)=Is,换相结束后B相和C相电流满足:ib(ta)=-ic(ta)=Is。根据文献[8]可计算出电机换相时间为
因为电机的换相在ta时刻结束,所以在ta时刻有:
联合式(5)和式(6)可以解得电机的换相时间为
从式(3)可以看出,电机的换相时间与电机的电感成正比,电感值越大,换相时间越长。
1.2 避免换相失败的电感值分析
由于永磁无刷直流电机采用120°(电角度)导通方式则在理想情况下电机的相电流波形如图2a所示。电流的上升时间和下降时间均为0,电流波形呈矩形波,当每对桥臂的上桥臂导通时电流值为正且保持不变;当每相桥臂的下桥臂导通时电流值为负且保持不变。而在实际电路中,由于绕组电感的存在,电流的上升下降时间不可能为0,实际的相电流波形如图2b所示。而当电机电感值很大且处于高速运行时,会出现换相绕组电流值还没有达到幅值时,电机的换相过程已经结束,电流开始下降,电流波形如图2c所示。
由于转子每转过60°(电角度)就换相一次,因此,若要使换相电流在换相结束前就达到稳态值,则电流的换相时间ta必须满足要求:
将式(3)带入式(4)可得:
2 电感对转矩脉动的影响分析
当永磁无刷直流电机需要调速时,往往采用PWM调制,文献[9]论述了常用的几种调制方式,调制方式不同,对转矩脉动的抑制会产生一定的影响。根据文献[9]可知,当电机运行在4E>U高速区的时候,无论采用何种PWM调制方法,换相电磁转矩脉动均为负值,即在整个换相期间电机的平均电磁转矩将减小,这种情况下PWM调制对转矩脉动的抑制不起作用。因此通过改变PWM调制方式对电机的换相转矩脉动不能起到很好的作用。
下面以AB→AC换相过程为例,分析电感值的大小对转矩脉动的影响。根据文献[10]可知,电机的换相转矩脉动公式为
其中
电机的额定转矩公式为
式中:Sa,Sc为A相和C相绕组的开关函数,开关函数为1表示对应绕组上桥臂开关管导通,开关函数为0表示下桥臂开关管导通;E为电机反电势的幅值;ω为电机机械角速度;Is为电机电流的幅值;t为电机换相时间。
令转矩脉动△Tem小于额定转矩Tem的5%,则有:
当电机处于高速区(4E>U)时,为了尽量减小换相转矩脉动,换相期间可以采用恒通方式,即:
式(10)可化简为
又因为换相时间t最大值为,所以若要使电机转矩波动抑制在5%范围内,电感值必须满足:
3 电感参数的优化设计
根据以上分析可知,当永磁无刷直流电机的电感值过大时会导致电机换相失败;当电感值过小时,电机的换相转矩脉动会增大。所以永磁无刷直流电机的电感值应满足:
由式(13)知,绕组电感的范围既与绕组内阻、电机额定工作频率和反电势等电机结构参数的影响有关,也与控制器的直流电压和电机额定工作时绕组电流幅值等控制参数的影响有关,因此对PM_BDCM电感参数优化设计既可从电机本体设计的角度来优化,也可从控制器的角度来优化。
在电机结构参数中,电机的极对数影响电感的范围。根据极对数与频率的关系可知,电机的周期和极对数成反比,当极对数增加时,电感范围则减小,控制器对电感值要求则增加。因此对于高速运行的电机,电机的极对数应尽量减小,从而提高电感范围。
在电机的结构参数中,绕组结构是影响绕组电感的主要因素。由于分数槽集中绕组漏磁场高于分布绕组的漏磁场,电机的漏电感明显高于分布绕组的漏电感,因此分数槽集中绕组电感高于分布绕组。电机的槽型尺寸对电机的电感也有重要影响,本文以6极9槽分数槽集中绕组为例,根据文献[11]的分析可知分数槽集中绕组的电感计算公式为
式中:Lslot为槽漏感;S为电机槽数;ncond为绕组的每槽导体数;leff为电机有效轴向长度;μ0为气隙磁导率;Ws为槽体宽度;hs为槽体高度;h0为槽口高度;b0为槽口深度。
根据式(14)可知,当电机绕组参数和槽极数确定后,通过降低槽身和槽口的深度或者增加槽身和槽口的宽度可以减小绕组漏感。
综上分析,对电感参数的优化首先需要确定电感的范围,根据电感的范围设计电机,使电感值满足要求;当设计完成后,若电机实际电感超出电感范围,则可以通过调整直流电压或者改善控制方式使电感范围增大,从而使电机电感满足电感值的要求。
4 实验验证
为了验证结论的正确性,本文利用以上公式对一台6极9槽的永磁无刷直流电机的样机进行试验,其参数为:额定功率24 W,额定转速4 000 r/min,直流电压24 V,定子槽数9,极对数3,电阻0.45Ω,电感4 m H,反电势9 V,周期5 ms。
样机在空载和额定负载情况下的电流波形如图3所示。从图3a可以看出电机在空载情况下电流幅值Is1=1.3 A,根据式(14)得出2.9 m H
经过优化后的电流波形如图4所示,从图4中可以看出电流幅值Is3=2 A,根据式(14)可求出1.4 m H
5 结论
本文在考虑电感的永磁无刷直流电机的电路模型基础上,通过分析电机电感值的大小对永磁无刷直流电机换相过程影响的分析,推导出了在避免换相失败同时又可以抑制换相转矩脉动的电感范围,并给出了优化电机电感的方法,从而为设计永磁无刷直流电机电感时提供了依据。最后通过对样机进行实验,验证了计算公式的正确性和优化方法的有效性。
参考文献
[1]唐任远.现代永磁电机设计理论与设计[M].北京:机械工业出版社,1997.
[2]李钟明,刘卫国.稀土永磁电机[M].北京:国防工业出版社,1999.
[3]刘和平,刘平,王贵.永磁无刷直流电动机换相过程分析[J].微电机,2008,41(10):34-36.
[4]陈冬,房建成.非理想梯形波反电势永磁无刷直流电机换相转矩脉动抑制方法[J].中国电机工程学报,2008,28(30):18-21.
[5]Zhu Z Q,Howe D.Magnetic Field Analysis and Inductance ofBrushless DC Machines with Surface-mounted Magnets andNon-overlapping Stator Winding[C]∥IEEE Trans.on Magne-tics,1995,31:2115-2118.
[6]王超,黄运生,韩华,等.新型无刷直流电机直接转矩控制[J].电气传动,2011,41(8):20-23.
[7]李鲲鹏.计及绕组电感的永磁无刷直流电机电路模型及其分析[J].中国电机工程学报,2004,24(1):10-11.
[8]余莉,刘合祥,易龙芳.永磁无刷直流电机电路计算模型及其换相分析[J].微电机,2010,41(10):26-27.
[9]钟柏.无刷直流电机转矩脉动的抑制研究[D].大连:大连理工大学,2010.
[10]任军军.永磁无刷直流电机的转矩脉动抑制的控制策略研究[D].杭州:浙江大学,2004.
[11]Ayman M,EL-Refaie.High Speed Operation of PM Magnets[D].University of Wisconsin Madison,2005.
永磁无刷直流电机论文 篇2
摘要：介绍了一种利用双口RAM实现DSP与单片机高速数据通信的方法，给出了它们之间的接口电路以及软件实现方案。
关键词：DSP；双口RAM；接口电路；数据通信
直流无刷电机实际属于永磁同步电机，一般转子为永磁材料，随定子磁场同步转动。这种电机结构简单，而且由于移去了物理电刷，使得电磁性能可靠，维护简单，从而被广泛应用于办公自动化、家电等领域。直流无刷电机运行过程要进行两种控制，一种是转速控制，也即控制提供给定子线圈的电流；另一种是换相控制，在转子到达指定位置改变定子导通相，实现定子磁场改变，这种控制实际上实现了物理电刷的机制。因此这种电机需要有位置反馈机制，比如霍尔元件、光电码盘，或者利用梯形反电动势特点进行反电动势过零检测等。利用光电编码器的系统在软件实现上更方便。电机速度控制也是根据位置反馈信号，计算出转子速度，再利用PI或PID等控制方法，实时调整PWM占空比等来实现定子电流调节。因此，控制芯片要进行较多的计算过程。当然也有专门的直流无刷电机控制芯片；但一般来说，在大多数应用中，除了电机控制，总还需要做一些其他的控制和通信等事情，所以，选用带PWM，同时又有较强数学运算功能的芯片也是一种很好的选择。Motorola的数字信号处理器DSP568xx系列整合了通用数字信号处理器快速运算功能和单片机外围丰富的特点，使得该系列特别适合于那些要求有较强的数据处理能力，同时又要有较多控制功能的应用中，对直流无刷电机的控制就是这一系列DSP的典型应用之一。
直流无刷电机结构和连接
三相直流无刷电机采用二二导通、三相六状态PWM调制方式。电机定子绕组轴向示意图如图1所示。
当电流从A到B时，定子绕组产生的磁场为图1中A－B方向，如果电机顺时针运行，此时，永磁转子磁场应位于III区，产生的扭矩最大。当转子转过III区和IV区的交界，到达IV区时，定子绕组电流应相应改变成为从A到C，即产生的磁场成为图1中A－C方向。
这样，定子磁场总超前转子磁场约90°，使转子不断的向前跟进。实现这个过程的关键是取得转子位置，积分编码器就起这个作用，如它的三路输出：PHASEA、PHASEB、PHASEC，在转子分别位于图1中的I到VI各区时，输出信号相应为：011、001、101、100、110、010。这样，通过捕捉积分编码器任一路输出上的跳变沿，读取跳变沿后的积分编码器输出状态，就可以确定转子的新位置，实现定子绕组电流换向。同时，利用定时器检测两次换向之间的时间间隔，计算出电机运行的速度，再通过调整PWM信号的占空比，调整定子电流，实现调速。
DSP568xx中使用到的主要模块
在Motorola的DSP568xx系列数字信号处理器的软件开发包中，给出了一个利用上述思路对直流无刷电机控制的应用程序：bldc_sensors。主要用到了DSP的脉宽调制PWM模块、定时器模块、相位检测器DECODER模块。
PWM模块共有六路输出，分别用来控制三相的顶底共六个功率管。
模块可以被配置成互补通道模式，即PWM0与PWM1为一对互补对，共三对互补对，如图2所示。互补对内的两个信号可以在芯片内部被互相交换，如图2中C相所示；也可以同时被屏蔽，使得输出全为0，该相就关断，如图2中A相所示。
定时器模块是最普通的外设，在这个应用中，使用了5个定时器模块，它们分别是A0、A1、A2、A3和D0。前3个分别接积分编码器的一路输出，利用它们的输入捕捉功能，产生中断，在中断子程序内检测新的积分编码器输出状态，实现换相。A3接的也是积分编码器的一路输出，它用来测量某路霍尔信号两个跳变沿间的时间间隔，计算转子速度。D0用来产生20ms间隔的节拍，周期性的对系统状态进行转换和检测。
相位检测器DECODER模块对于电机控制非常有用，它不仅能用于本文所说的六状态积分编码器，还能用于转子每转一圈产生相当多数目脉冲的积分编码器。该模块框图如图3所示。
但在本应用中，只用到了它的干扰信号滤波器，即使用了积分编码器的三路输出经过滤波后的值。六状态积分编码器的三个输出PHASEA、PHASEB、PHASEC分别接到相位检测器的PHASEA、PHASEB、INDEX三个输入端上。
控制算法
对于无刷直流电机的控制，软件上的内容是主体。
程序是一种前后台结构，前台是一个死循环，死循环内作两个工作，一个是程序状态转换ApplicationStateMachine，另一个是20ms时钟节拍触发的LED控制、直流电压数字值读取和速度控制等服务性工作ServiceLedISR()。程序中有一个全局变量ApplicationMode，取值可以是Init、Stopped、Running和Fault，用来指示系统的状态。main()函数一开始在初始化函数Initialize()中先把系统状态设置为Init，然后在程序状态机ApplicationStateMachine()里实现如图4所示的转换。
状态之间转换的各种条件均标在图4的各个箭头上。硬件上的其他事件：定时器A0、A1、A2的输入捕捉，A3的输入捕捉和溢出，D0的输出比较以及加减速按键都是通过中断的方式打入。所以整个软件的结构如图5所示。
系统一加电，程序进入初始化函数Initialize()，在这个函数中，做了以下工作：
◆启动直流电压ADC；
◆初始化Led，开始20ms的周期时钟中断D0；
◆开关状态初始化；
◆PWM参数初始化；
◆捕捉积分编码器跳变沿的定时器A0、A1、A2初始化；
◆相位检测器初始化；
◆ApplicationMode=Init；
◆取得转子位置，设好初始的导通相；
◆PI控制器初始化；
◆用于测量转速的定时器A3的初始化。
从Initialize()返回后，立刻进入前台死循环。
在转子运行过程中，定时器A0、A1、A2输入捕捉的发生，标志着转子运行到了一个需要换相的位置。输入捕捉事件触发中断ISRQTimer()，在这个中断服务程序中，完成以下的工作：
◆从相位检测器取得当前积分编码器的三路输出状态；
◆根据当前积分编码器输出状态，判断转子运转方向；
◆并调整PWM模块的.交换和屏蔽，即定子电流换相。
所以说，定子电流的换相，是在紧随着积分编码器输出跳变沿的中断服务子程序中完成的。在判断转子运转方向的时候，使用了一个常数组：DIRECTION_TABLE[8]={0,5,3,1,6,4,2,0}。这个数组元素的下标和元素的值对应转子在顺时针运转情况下，当前编码器状态和下一个编码器状态（见图1）。比如，当前编码器输出011，转子磁场位于I区，那么顺时针运转时，下一个编码器状态应为001，这正好对应于上述数组中，下标为011的元素值为001。这样，通过比较以编码器上一个状态作为下标的数组元素值与当前状态是否相同，就可以判断转子运转方向。在实现定子电流换相时，也以当前状态为下标，从专门数组中取得PWM模块通道交换与屏蔽所需的参数。在本应用中，将三对PWM互补通道对的参数设成一致，通过屏蔽某一相，交换另外一相，实现定子绕组电流状态的控制，如在图2中，A相被屏蔽，B相顶功率管开关占空比为70％，而将C相两个PWM通道交换，C相的底功率管开关占空比就由原来的30％成为70％，从而使电流由B相流入定子绕组而从C相流出，确定定子绕组B－>C的电流状态。
积分编码器的某一路输出，比如PHASEC的跳变，还触发了定时器A3的输入捕捉中断。在输入捕捉中断中，取得各个跳变沿之间的时间间隔，用来计算转子速度。定时器A3的溢出中断，也是为取得各个跳变沿之间的时间间隔服务。
在Initialize()函数中调用的LedInit()函数内部已经将定时器D0进行了初始化，所以从那时开始，定时器D0开始运行，每20ms产生一个中断，触发中断服务子程序LedISR()的运行。在LedISR()中，只是设了一个标志位bLedISROccurred为真。但这会使得死循环内ServiceLedISR()函数的具体内容被执行，而不是直接返回。ServiceLedISR()函数的具体代码完成以下工作：
◆Led闪烁周期计算和控制；
◆UpButton、DownButton按键延时控制；
◆从ADC读取直流电压值并重启ADC；
◆取得一路积分编码器的跳变沿间隔并计算速度，进行速度控制。
所以，转子运转的速度控制是在几乎每20ms周期的ServiceLedISR()内完成。
加减速按键也触发中断，在中断服务子程序内，调用相应函数，实现系统设定速度的改变。
结束语
永磁无刷直流电机论文 篇3
1 无刷电机及其控制系统基本结构
无刷电机及其控制系统基本结构如图1所示, 由电机本体、位置传感器、逆变器3部分组成。
永磁无刷直流电机的主要部件有转子和定子, 定子是电机的静止部分, 是由导磁的定子铁芯、导电的电驱绕组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成。转子是电机本体中转动的部分, 主要成分是硅钢片, 用来产生激磁。
永磁无刷直流电机的运动在于电机中逆变器功率器件依据电机转子的位置变化产生不同的触发变化, 进而实现电机控制。因此, 依据准确的位置反馈来进行逆变器的切换是永磁无刷直流电机控制的关键。
最常用、最直接地检测转子位置的器件是角位置传感器, 高精度、高可靠性的传感器影响着整个电机的性能。目前, 最常用的电机反馈传感器是Hall传感器, Hall传感器属于磁敏式传感器, 其性能优良、体积小、便于安装、性价比较高, 可以通过解调、电路控制等过程将传感器的位置信号转换成数字信号, 为数字化控制及智能控制做准备。
2 永磁无刷直流电机控制技术
2.1 反电动势法控制
某些不需要精确反馈控制、产品空间有限的场合可以省去位置传感器, 此时不是采用开环控制, 而是利用电机自身的反电动势来采集反馈信号, 进行解调, 进而控制电机。目前, 反电动势法是技术最成熟、应用最多的一种无位置检测方法。
反电动势法是基于各项反电势随各个转子改变的电机控制技术。该方法将检测获得的反电动势过零点信号延迟电角度30°, 得到6个离散的转子位置信号, 为逻辑开关电路提供正确的换相信息, 进而实现无刷直流电机的无位置传感器控制。反电动势法的关键是判断反电动势过零点的位置, 业内学者提出了众多检测方法, 如端电压检测法、反电动势积分法、反电动势三次谐波法等。
最简单有效的方法是端电压检测法, 通过测量不导通相的端电压, 与电机的绕组中点电压进行比较, 并对三相绕组进行分压阻容滤波, 计算出不导通相反电动势的过零点位置, 再经过延后一定时间进行下一步换相, 从而达到控制电机的目的。
2.2 转矩脉动控制
因为永磁无刷直流电机没有电刷及换向器, 只能在电机内部换相, 所以电机在运行过程中必然产生转矩脉动, 产生转矩脉动的因素主要有2方面:1) 机械齿槽结构引起的转矩脉动;2) 电流换相引起的转矩脉动。
齿槽引起的转矩脉动可以采用定子斜槽或转子斜极来实现, 该方法简单易行, 但无法保证全部消除齿槽引起的转矩脉动。最直接的方法是使用无槽结构电机, 采用钕铁硼等高磁能积稀土永磁材料有效抑制由齿槽引起的转矩脉动, 此方法的缺点是成本较高。
电流换相引起转矩脉动, 是电机运行过程中不可避免的, 因为电机内各项绕组不断变化, 绕组每经过一个相点, 绕组上的电流就会切换, 从而产生电磁转矩的脉动。抑制由电流换向引起的转矩脉动的方法有电流反馈法、滞环电流法、重叠换向法、脉宽调制斩波法等。
2.3 智能控制
传统的电机控制系统具有非线性、变参数、时滞性等缺点, 不利于高性能、高精度电机的控制。因此, 结合先进的控制理论和方法进行控制, 可以有效解决上述问题。
随着控制技术的发展, 人工智能算法的研究及应用越来越广泛, 其中常用的人工智能算法包含人工神经网络、模糊策略、遗传算法、蚁群算法等, 将永磁直流无刷电机的控制与人工智能算法结合, 可以有效解决传统控制方法的缺陷。人工智能算法对物理模型的要求较低, 更适用于非线性问题, 例如模糊控制理论就是基于人类基本活动的实践经验设计开发的。随着计算机硬件技术的发展, 高性能、集成化、小型化的单片机与DSP的出现为实现永磁无刷直流电机的人工智能控制创造了条件。但是, 人工智能算法本身较复杂, 需要考虑各种复杂条件, 不断地进行调试验证, 以保障电机的平稳、精确的运行。
3 永磁无刷直流电机的应用
3.1 汽车行业中的应用
汽车行业是工业产品的精华及先进技术应用的先驱, 永磁无刷直流电机在其中的应用无处不在, 汽车上的自动控制空调、前后调节的电动座椅、自动车门、雨刷器、安全气囊、方向盘上的助力电机等等。另外, 纯电动车的驱动电机也采用永磁直流无刷电机。
3.2 航空航天领域的应用
永磁无刷直流电机在航空航天应用十分广泛, 如飞机机壳喷漆的多自由度机械手, 飞机航电系统中各类自动驾驶设备中的控制电机, 各类陀螺仪表, 载人航天的舱门控制等等。因为航空航天需要高精度的控制及高速动态响应能力, 所以此类电机采用闭环控制以及先进的控制算法。此外, 航空航天领域对电机的可靠性、寿命、三防性能要求较高。
3.3 家用电器中的应用
无刷直流电机在家用电器领域应用十分广泛, 最典型的应用就是变频空调, 通过控制空调缩机的频率, 实现快速制冷、制热, 再根据室内温度智能调节。为了降低空调的成本, 简化系统的配置, 空调压缩机中常采用无位置传感器控制方式, 采用合适的算法同样可以达到伺服控制的目的, 同时也减少了空调的体积。
4 结论
本文浅析了永磁直流无刷电机系统, 介绍了电机本体、位置传感器、逆变器的结构;分析了, 3种常见的电机控制方法, 每一种控制方法在工程应用中都较为常见, 均有其优缺点及继续提升的地方, 最后本文介绍了永磁直流无刷电机在汽车、航空航天、家用电器领域的应用。本文对研究者全面认识直流无刷电机控制系统具有一定帮助, 有利于后续深入研究。
参考文献
[1]夏长亮.无刷直流电机控制系统[M].北京:科学出版社, 2009.
[2]刘刚, 王志强, 房建成.永磁无刷直流电机控制技术与应用[M].北京:机械工业出版社, 2008.
永磁无刷直流电机论文 篇4
永磁无刷直流电动机(BLDCM)是一种典型的机电一体化电机,除了有普通直流电机调试性能好、调速范围宽和调速方式简单的特点外,还有功率因素高、转动惯量小、运行效率高等优点。特别是由于它不存在机械换相器与电刷,大大地减少了换相火花,机械磨损和机械噪声[1],因而无刷直流电机的应用范围相当广泛。同时,现代电力电子技术和永磁材料的发展又为其发展提供了基础,因此BLDCM具有很强的生命力和发展前途。
对于BLDCM的控制方式可以分为两种:有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。典型的有位置传感器控制方式是使用霍尔传感器控制方式,无位置传感器控制方式作为一种新的控制方式,其中有:如反电势法、电感法、三次谐波法、状态观测器法等[2]。反电动势控制方法线路简单,技术成熟成本低,但也存在一些缺点,如:电压比较器对被检测信号中的毛刺,噪声敏感;滤波器的实际延时角度随电机转速而变,需要根据不同转速做相应补偿等。本文采用反电动势控制方法,以直流无刷稀土电机为研究对象,设计了驱动控制电路和反电势过零检测电路,提高了系统工作时的安全性和稳定性。
1 控制系统总体设计
控制系统原理如图1所示。主要由无传感器无刷直流电机、反电势过零检测电路、电流检测电路驱动逆变电路和以Atmega64为核心的MCU控制器等5部分组成。Atmega64芯片具有较高的信号处理速度和较强的稳定性,可以实现电机高精度、高效率的全数字控制,且控制灵活,抗干扰能力强。
由于驱动器采用三相逆变桥,为了使电机的出力达到最大,逆变桥的换向时刻与转子的磁极位置应保持对应关系[3]。当转子磁极采用纺锤形转子形状时,其反电势波形为正弦波,表达式为e=kωsin(pθ),其中p为极对数。而且电机中A、B、C三相是对称的,它们的反电动势只在相位上依次落后120度[4]。转子位置与反电动势关系如图2和图3所示。
由此得出反电动势法控制规律的重要结论为:通过测量反电动势获取转子位置信号,并不是测量反电动势大小,而是反电动势的过零点信号,反电动势出现过零点后再延时30度就是转子电流下一次换相时刻[5]。但反电动势无法直接测量得到,可通过测量电机端电压来间接获取电机反电动势。
2 控制系统硬件设计
2.1 功率主回路电路
本系统主回路电路采用常规的六开关管逆变电路,由六个MOSFET管组成,上桥臂的独立电源通过IR2130的自举电路产生,下桥臂直接由IR2130驱动。各个MOSFET的栅极之间并联一个15 V的稳压管,用以防止MOSFET的栅源电压过大而损坏MOS管。
2.2 驱动电路
本系统采用美国国际整流器公司生产的专用驱动芯片IR2130对由六个MOSFET管组成的逆变电路进行驱动,IR2130是一种高压浮动MOS栅极驱动集成电路,该驱动芯片内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络, 使用户可方便的用来保护被驱动的功率管。功率开关管驱动电路的原理如图4 所示。
图4中C1是自举电容,为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量,D1的作用防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏, 因此D1应有足够的反向耐压,当然由于D1与C1串联,为了满足主电路功率管开关频率的要求,D1应选快速恢复二极管。R1和R2是MOSFET的门极驱动电阻,一般可采用十几欧到几十欧。R3和R4组成过流检测电路,其中R3是过流取样电阻,R4是作为分压用的可调电阻。
IR2130的HIN1～HIN3、LIN1～LIN3作为功率管的输入驱动信号与MCU连接,由MCU控制产生PWM 控制信号的输入,FAULT与MCU外部中断引脚连接, 由MCU中断程序来处理故障。
2.3 反电势过零检测电路
由于没有位置传感器,而在电机运转过程中又需要控制电机转子的位置信号,所以需要设计一个转子位置信号的检测电路,再通过软件的方法间接获得。反电势过零检测电路用于测取电机反电动势过零点信息从而获得转子位置,而且是通过检测电机的端电压来实现的。电路设计如图5所示。
电机转子的端电压信号经电阻R1,R2,R3分压, 再经JFET管Q1,Q2,Q3限流后, 得到的信号再与零点比较,把得到方波信号输入到微处理器的中断捕捉口,根据捕捉到的反电势过零点信号控制电机换相。
当通过直流无刷电机的端电压来检测转子位置时,脉宽调制(PWM)的方式对电机的端电压和电流有直接影响。电机端电压与反电势的关系如图6。当采用120度导电模式时,正弦反电势在过零点时,该相没有受到端电压的作用(即悬空)正好为反电势过零点检测提供了便利。当某相变为悬浮状态时,悬浮相的相电压等于电机旋转而产生的反电势。由于 PWM的电压调制作用,使主回路中产生了大量的高次谐波,可以在软件程序中通过选取采样点的方法,采集到准确的过零信号,由此便不必设置滤波器,同时也免去了过零信号有相位差的问题。
2.4 电流检测电路
电流检测通常有采用电阻采样、采用霍尔电流检测器(LEM模块)采样以及采用电流互感器采样三种方式,由于LEM模块以及电流互感器成本较高,本系统采用在大功率精密采样电阻作为电流传感器对直流母线电流进行采样。采用电阻为0.1 Ω,3 W,1%的精密电阻,一方面,由于本电机驱动系统为单极性电源供电,无法输出负电压值;另一方面Atmega64的ADC模块工作在单边方式,所以需要采用电压提升的办法,将运放输出范围提升为(0-2.5 V)。
3 控制系统软件设计及实验结果
本控制系统软件如图7,主要包括系统主程序和“反电势法”无传感器运行程序。其中,系统主程序包括初始化,转子零初试位置启动,运行子程序的调用。 “反电势法”无传感器运行程序包括位置信号提取,换相逻辑判断以及速度电流闭环控制。
4 结 语
实验证明,采用以上分析设计的控制方案控制直流无刷稀土电机实现了反电动势法无传感器控制方式,并具有高灵敏性和高可靠性。同时, 系统可以很方便地通过SCI 接口的扩展能力与上位机进行通讯, 组成多机系统结构。
参考文献
[1]刘锦波,张承慧.电机与拖动.北京:清华大学出版社,2006
[2]吕志勇,江建中.永磁无刷直流电机无位置传感器控制综述.中小型电机,2000;27(4):33—36
[3]张琛.直流无刷电动机原理及应用.北京:机械工业出版社,1996
[4]王鸿.反电动势法永磁直流无刷电机控制系统设计.电子技术,2009;17(1):33—35
永磁无刷直流电机论文 篇5
永磁直流无刷电机(BLDCM)是一种典型的机电一体化电机,除了有普通直流电机调试性能好、调速范围宽和调速方式简单的特点外,还有功率因素高、转动惯量小、运行效率高等优点,特别是由于它不存在机械换相器与电刷,大大的减少了换相火花,机械磨损和机械噪声[1],使得它在中小功率范围内得到了更加广泛的应用,是电机的主要发展方向之一。
对于永磁直流无刷电机的控制方式,可以分为两大类:有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。典型的有位置传感器控制方式是使用霍尔传感器控制方式。无位置传感器控制方式是目前比较广泛使用且较为新颖的一类控制方式,包含有:反电动势控制方法、磁链计算法、状态观测器法和人工神经网络(ANN)控制法等。反电动势控制方法中对驱动桥和电机在外电路过流时的保护极为重要,对软件发生错误动作时负载的保护也提出了较高的要求,本文采用反电动势控制方法,以直流无刷稀土电机为研究对象,设计了两个电流保护模块和一个数字逻辑保护电路,提高了系统工作时的安全性,具有较大的研究意义。
1 控制系统总体设计
本系统采用PWM反馈控制方式的典型闭环调速系统其中还创新性的加入了逻辑保护电路和两路电流保护电路,控制系统总体设计框图如图1所示。由转速参考值n0与实际转速的反馈值n相比较,得到的偏差送到转速控制器,经过相应的计算后输出控制信号到PWM控制器,PWM控制器则产生三相桥试逆变器主开关的控制信号,然后由主开关完成对永磁无刷直流电机定子电流的通断,并产生平均意义上旋转的定子电枢合成磁势,由定子电枢合成磁势带动永磁体转子旋转,实现了永磁无刷直流电机的自同步控制。
研究对象永磁直流无刷稀土电机将磁体粘贴到转子铁心表面,组成所谓的隐极式转子结构。其定子三相对称绕组采用整距、集中绕组,无中线引出线,由电机学原理可知反电动势的波形为一梯形波,而且电机中A、B、C三相是对称的,它们的反电动势只在相位上依次落后120度。再考虑到定子每相绕组的反电动势正比于转子角速度[1],有图2所示关系。
由此得出反电动势法控制规律的重要结论为:通过测量反电动势获取转子位置信号,并不是测量反电动势大小,而是反电动势的过零点信号,当反电动势出现过零点后再延时30度电度角就是转子电流下一次换相时刻[5]。但反电动势无法直接测量得到,可通过测量电机端电压来间接获取电机反电动势。
2 系统硬件设计
该系统硬件电路设计重难点在于驱动逆变电路,转子位置检测电路和电路保护模块三大部分。驱动逆变电路包含驱动芯片和驱动桥式电路两个部分,驱动芯片采用IR2130驱动芯片,它是专用的三相桥式电路驱动芯片,可以直接驱动中小容量的MOSFET、IGBT、MCT等,而且只需一个供电电源,工作频率从几十赫兹到上百千赫兹[2],内部还设置有过流和欠压保护使得在驱动功率管时更加安全可靠。
驱动桥式电路常用方案有:三相半桥驱动,电容储能驱动和三相全桥驱动[4]。三相全桥驱动由六只功率管构成三相六臂全控桥,虽然增加了功率开关管的数量,但增大了转矩输出且转矩波动小于三相半桥驱动,复杂性与可靠性上也优于电容储能驱动,而且起动特性和低速平稳性都较好,因此本系统采用此方案。如图3所示,为驱动芯片和驱动桥式电路(只接了一相的上下桥臂)的硬
转子位置检测电路用于测取电机反电动势过零点信息,从而获得转子位置,而且是通过检测电机的端电压来实现的。电路设计如图4所示。
电机端电压检测共分为A、B、C三相,现以A相为例,先将输入到IR2130的B和C相驱动控制信号PWM B和PWM C通过与非门反相,得到B、C两相上桥臂的PWM驱动信号相与的波形,然后跟单片机输出控制口信号Ctr_A相与。当单片机输出控制口为1时,D触发器时钟端为B、C两相PWM驱动波形相与的信号;当单片机输出口为0时,D触发器时钟端为低电平,封锁D触发器输出,使D触发器输出保持不变,从而通过编写软件控制单片机输出口,使得每个状态,只有一个D触发器开通,且在续流阶段封锁D触发器输出,这样可以很大程度的避免反电动势虚假过零点对零点信息测量的影响。
电流保护电路包括两个部分。第一部分如图3所示。通过R7、R8、R9三个电阻将驱动桥的电压信号采集到IR2130中,一旦外电路发生过流或直通,IR2130内部的电流比较器迅速翻转,故障处理单元输出低电平,封锁驱动输出口,同时引脚FAULT向MCU发出报警信号,由此完成第一部分电流保护功能且要通过软件设计实现具体的功能响应。第二部分电流保护主要针对驱动桥,电路设计如图5所示。(参见右栏)
保护电路通过R10于R11将驱动桥下桥臂的电压采集到LM393的正向输入端,可以和事先设定的Verf进行比较,当驱动桥电流过大时,LM393输出高电平,使得Q1、Q2、Q3都导通,由此降低下桥臂MOS管的栅源电压,达到保护MOS管的目的[4]。
三相全桥的驱动控制是由MCU通过PWM方式实现的,当软件运行出现错误时,可能会使得同一桥臂的上下两个MOS管同时导通,这将造成短路,极易烧坏MOS管,由此设计了逻辑保护电路模块,使得同一桥臂上下两个MOS管不会出现同时导通的情况。逻辑保护电路输入与输出的逻辑关系如表1所示。
通过表1的逻辑关系,同一桥臂上下桥臂的输入信号互锁,使得不会出现同时导通的情况。硬件电路的连接由表1逻辑关系而定,而且可以通过与非门电路搭建而成,在此不再详述。
3 系统软件设计
MCU输出控制信号控制三相全桥驱动逆变电路,在软件实现上可以采用不同的控制规律,常用的控制方式有:三三导通控制方式,两三轮流导通控制方式和1200导通型控制方式[1]。它们在控制性能上相差不大,本系统采用1200导通型控制方式,控制规律为:(1)每隔600换流一次;(2)任何时候只有两只开关器件同时导通;(3)每个开关器件导通1200
根据硬件电路的设计和1200导通型控制规律,桥臂与MOS管对应关系为:A上桥臂:T1,A下桥臂:T4;B上桥臂:T3,B下桥臂:T6;C上桥臂:T5,C下桥臂:T2。各MOS管导通顺序如表2所示。
采用反电动势法控制直流无刷稀土电机,在起动时,由于电机转速很小,无法获得反电动势,因此电机起动顺利完成要通过软件编程实现。常用的起动方式有:外同步驱动起动方式和预定位起动方式[3,4]。外同步驱动方式指以变频方式同步拖动电机转子旋转,这种起动方式的缺点是转子的旋转方向是不可知的,转子可能顺时针旋转也可能逆时针旋转;另外,如果频率上升太快,电机很容易失步。预定位方式起动是在起动开始时给电机一个确定的通电状态,使转子定位。然后改变电机的通电状态,在电磁力矩的作用下使转子向确定方向转动,在转动过程中把电机切换到无刷电机运行方式。这样,一方面使绕组中具有一定大小的反电势信号,另一方面电动势的相序是固定的而非随机的,保证电机有一个确定的转向,实现电机的顺利起动。
4 总结
采用以上分析设计的控制方案控制直流无刷稀土电机,实现了反电动势法无传感器控制方式。同时采用两个电流保护模块,一个从硬件上实现保护,一个从软件方面设计实现保护,使得电机在外电路过流与直通发生时能更好的保护整个控制系统的安全运行,相比较于只采用硬件保护电路或软件保护的反电动势控制方法更加灵活安全。还特别的加入了逻辑保护电路模块使得在软件出现问题时能保护驱动电路和电机的安全。整个系统在分析设计方面还有改进的空间,希望其他读者能从以下方面进行改进。
(1)更好的解决反电动势虚假过零点问题。
(2)有待研究更快更好的启动方法。
参考文献
[1]刘锦波，张承慧．电机与拖动[M]．清华大学出版社，2006．9．第1版
[2]谢运祥．IR2130驱动器及其在逆变器中的应用[J]．微电机，第34卷第2期，2001年
[3]邵刚，石山．一种新的无刷直流电动机的起动方法研究[J]．微特电机，1998．5
[4]郝卫生．稀土永磁无刷直流电机的计算机控制技术研究[J]．西北工业大学硕士学位论文
永磁无刷直流电机论文 篇6
高速电机的转速非常高, 而且其功率的密度非常大, 其几何尺寸小于其输出功率相同的低速电机, 这些特征使得它在工业领域受到了广泛的关注和应用, 比如说高速磨床高速飞轮储能系统以及在污水处理中采用的高速离心压缩鼓风机, 这些都是高速电机在各个应用领域的具体体现。在之前的电机运行中, 如果人们想要得到较高的转速输出, 就要先将之前的电机齿轮箱的变速达到能够提高变速的作用, 我们需要注意的是, 齿轮箱的体积是非常大的, 而且会出现很大的噪音, 其使用的寿命也不是很长, 因此齿轮箱会在一定的使用时间内降低系统的整体效率, 但是如果我们使用高速电机, 就会不再使用齿轮箱这一环节, 这样就会减少系统的整体体积, 最重要的是能够在一定程度上提高系统的效率。也正是由于永磁无刷电机的结构非常简单, 无励磁损耗、效率高等特点, 使得永磁无刷电机非常适合高速的场合。
2 高速永磁无刷电机的应用
2.1 在电动汽车中的应用
现阶段汽车行业的发展是推动整个社会现代化进程的一个非常重要的动力源泉, 但是汽车工业的快速发展和它对环境的污染速度是成正比的, 尤其在我国特别明显, 汽车行业的市场日益扩大, 环境污染和能源消耗的问题就越来越严重, 因此, 电动汽车逐渐受到了人们的广泛关注, 而电动汽车当中的电机应该具备较高的转速, 高启动的转矩, 而且要在较大功率的范围内始终能够保持很高的效率。而永磁无刷电机就具有上述的特点, 因此它也受到了广大汽车行业研究者的关注和研究, 目前已经在一些电动汽车中得到了实际的应用。
2.2 在分布式发电系统中的应用
目前主要的电力能源生产和分配的方式是集中发电以及远距离输电, 但是这种输电的方式在我国的电力系统分配当中是存在一定缺陷的, 造成这种情况的主要原因是因为我国的面积非常广阔, 因此我国能源的分布形式也是非常不均匀的, 而且不同地区的经济发展情况也是有着很大的差异, 这样也就造成了我国电力输送的成本增加的情况, 所以在生产和使用的时候就出现了不平衡的现象, 针对现阶段的这种情况, 能够有效解决这一问题的方法就是使用分布式发电供电系统来作为一个辅助系统, 这一辅助系统主要是由内燃机以及储能装置等构成的, 而我们所说的高速永磁无刷电机的效率是非常高的, 而且在实际的运行当中也体现了其可靠性的一面, 非常适合中小型高速发电机的使用, 这也使得高速永磁无刷电机在分布式发电供电系统当中显示了其价值, 使其有了更加广阔的应用空间。
3 高速永磁无刷电机设计的关键性问题
转子结构按照永磁体安装的方式可以分为三种, 一种是安心永磁体结构, 第二种是永磁体表贴式, 第三种是永磁体内嵌式。一般永磁体实心结构是将永磁材料制成一个圆柱的形状, 利用高强度非导磁钢护套通过盈配合将永磁体整体包裹起来, 这种结构是没有轴的, 因此需要将永磁体护套与芯轴焊接在一起来传递转矩。永磁体要采用整体结构平行充磁, 因此具有较好的电磁特性。而永磁体表贴式结构可以做成一个整体的环形空心形状, 当采取这种结构的时候, 永磁体可以采用平行充磁的方式。永磁体内嵌式结构是将永磁体整个埋入了铁芯的内部, 这样整体的结构就会非常的坚固, 也就能够承受高速运转时所出现的离心力。
实心永磁体结构和永磁体表贴式结构都具有非常好的机械对称性, 可是由于永磁材料能够承受的拉应力是有限的, 所以工作人员在运用的过程当中, 为了能够有效地防止永磁体在高速旋转的时候不会出现破坏的情况, 工作人员就在永磁体的外层加了一个保护的措施, 现阶段在这一领域能够使用的最有效的措施主要有两种, 一种是碳纤维捆绑式, 另一种是外部金属护套式, 碳纤维的厚度相对较小, 而且它的导电性也是非常差的, 所以不会产生高频涡流方面的损耗。但是它还是有一定的缺点, 比如说碳纤维的散热性能较差, 转子不容易散热, 有的时候为了达到屏蔽谐波的目的, 还会在捆绑的内部增加一层铜屏蔽层, 这样又在一定程度上增加了工作的难度。而非导磁金属护套则具有非常好的导电性能, 因此它可以有效地屏蔽高次的谐波, 最重要的是它的导热性能也非常好, 利于转子的散热, 但是它也是存在一个不足, 就是它的金属材料价格相当昂贵。
4 高速永磁无刷电机控制系统
永磁无刷电机如果是按照反电势波形会分为无刷电机和正弦波无刷电机, 正弦无刷电机是由交流电进行供电的, 而永磁同步电机则是由电励磁同步电机发展过来的, 它用永磁代替了之前的电励磁同步电机, 其转子的结构也按照永磁体的安装形式分为实心转子式和内嵌式, 而对于永磁无刷电机来说, 其矢量的目的就是为了将永磁同步电机近似地看成电流电机控制, 一般情况下, 都是开展控制电机外部的系统来对电机进行控制的, 其实矢量控制是利用了空间矢量变换的方法对定子电流进行相应的解耦, 最终实现解耦控制。
参考文献
[1]沈建新.气隙磁场波形及磁瓦充磁方式对无刷直流电动机性能的影响[J].微特电机, 2006, (06) :28-29.
永磁无刷直流电机论文 篇7
永磁无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品,与他励式直流电动机相比,具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点,是小功率直流电动机的主要类型。随着电机技术、电力电子技术、数字控制技术、控制理论及传感器技术的发展与应用,无刷直流电动机的一般控制技术已日趋成熟,因此在计算机、航天、军事、汽车、工业和现代家用电器中得到越来越广泛的应用[1]。
本文首先介绍了无刷直流电动机的基本结构,然后对无位置控制做了分析,比较了它们的优缺点,最后对转矩脉动抑制进行了探讨。
1 无刷直流电动机的基本结构
无刷直流电动机控制系统包括电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器,构成了自同步电动机系统,如图1所示。位置传感器检测转子磁极的位置信号,控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号,开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关管,从而将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组,使电动机产生持续不断的转矩。
1) 电动机本体
无刷直流电动机的本体由定子和转子组成。定子为电枢、转子为永磁体,在保证在气隙中产生足够强度磁通,机械结构稳固可靠,并满足工作环境的要求等条件下,构成电动机本体[2]。定子由铁芯、电枢绕组等组成,其电枢绕组制成多相(一般以三相电动机较为常见),均匀绕制于沿着内部圆周轴向开的槽中。转子由永磁体、导磁体和支撑零件三部分构成。永磁体是产生磁场的核心,常采用的永磁材料有铝镍钴合金、铁氧体、稀土等。
2) 位置传感器
位置传感器在无刷直流电动机中起着两个作用。一是检测转子磁极位置的作用,为逻辑开关电路提供准确的换相信息,以确定功率开关器件的导通顺序。二是为确定电子换相电路中功率器件占空比提供信息。
位置传感器种类较多,且各具特点。目前应用的位置传感器主要有磁敏式、电磁式、光电式等。霍尔位置传感器为磁敏式位置传感器的一种,其体积小,使用方便且价格低廉。在无刷直流电动机控制系统中一般采用霍尔位置传感器作为转子位置检测装置。
3) 电子开关线路
电子开关线路由功率逻辑开关与位置信号处理单元构成。主要功能是根据位置信号,实现把直流电按照一定的逻辑关系分配给各相绕组,在气隙中形成步进旋转磁场,带动转子旋转输出转矩。
2 无刷直流电动机的无位置控制方法
有位置传感器BLDCM的位置信号直接由位置传感器读取,控制简单、方便,但是外置式位置传感器在一些高温、高腐蚀、灰尘多、湿度大等恶劣环境下不能适用。此外,需要在电动机定子槽内安装位置传感器,使电动机设计复杂化,增加了电动机的体积,而且位置传感器需要5根引线,给电动机整机安装带来不便,增加了故障发生率,降低了工作可靠性,这给其应用带来了很多不利的影响。因此,如何实现无刷直流电动机的无位置传感器控制一直是近一二十年来的研究热点[3]。
2.1 反电动势过零检测法
BLDCM在“两相导通星形三相六状态”工作方式时,反电势波形和电流波形如图2所示。由图可见,A相反电势过零点延迟30°电角度则对应C相上桥臂到A相上桥臂的换相点。反电势过零检测法则是根据这个原理产生的,在检测到反电动势过零点后,根据换相点滞后过零点30°电角度,设置对应的延迟时间,当延迟时间到达后,电动机换相进入下一个工作状态[4]。其中,感应电势是由反电势和电枢反应电势合成,因为无刷直流电动机的气隙一般较大,电枢反应电势远小于反电势,因此一般将悬空相所检测出来的相电压作为反电势。考虑到成本及制造工艺,绝大多数无刷直流电动机中性点并不引出,因此,反电动势过零点需要通过检测端电压的方法间接获得。
检测反电动势过零点的方法分为两种:端电压法和相电压法[5]。端电压法不用电阻网络构建虚拟中性点,将端电压与直流电源中点电压进行比较,而获得反电动势过零点。相电压法通过采用电阻网络构建虚拟中性点,将端电压与虚拟中性点电压进行比较,而获得反电动势过零点。使用反电势方法时检测电路存在阻容滤波环节,导致了检测信号相位的滞后,因此在换相控制中,必须对其加以修正。
直流无刷电动机的反电动势换相控制的最大优点是省去了三个位置传感器,使得直流无刷电动机的结构变得十分简单,这对于安装位置传感器十分困难的微型直流无刷电动机尤为重要。其主要缺点是反电动势在低速时很难被精确测量,因此不太适合于要求经常快速起动或超低速运行的直流无刷电动机[6];此外,续流二极管导通引起的电压脉冲可能覆盖反电动势信号,尤其是在高速、重载、或者绕组电气时间常数很大等情况下,续流二极管导通角度很大,可能使得反电动势法无法检测。
2.2 反电动势积分法
假设反电动势在过零点附近呈线性,且与电动机转速无关,在过零时刻对悬空相反电势积分,然后将积分结果与阀值电压进行比较,当达到阀值时,即为换相时刻[7,8]。和反电势过零点检测方法相比,该方法不需要深度滤波,如果将锁相环技术应用到基于反电势积分的转子位置检测方案中,则可避免误触发,且不需要参考电压,不受电动机参数的影响[9]。这种方法的优点是对于开关噪声不敏感,积分门限可以根据转速信号自动调节,并且可以实现必要的超前或滞后换相;缺点是电压比较器对毛刺、干扰很敏感,由于误差积累在电动机低速运行时存在一定的问题。
2.3 续流二极管法
续流二极管法又称“第三相导通法”,是通过检测反并联在逆变器开关管两端的续流二极管的开通状态来确定电动机的转子位置,一般应用于二二导通模式的无刷直流电动机控制系统中。此法要求逆变器必须工作在上下功率开关管轮流处于PWM斩波控制的方式下,使电动机绕组的续流电流沿着特定的回路流通,悬空相的反电势过零时,将有电流流过与悬空相功率开关管反并联的续流二极管。因此,绕组反电势过零点可以通过检测悬空相逆变桥续流二极管电流来确定,进而得到电动机正常运行所需的6个关键位置。
因续流二极管的导通压降很小,该方法在一定程度上能够拓宽电动机的低速调速范围。但其本质上还是反电势法,因此该方法不仅具有反电势过零检测法的缺点,还由于增加了电流检测装置,增加了成本,提高了硬件电路复杂度,且该方法的转子位置误差受到反电势系数、反电势波形等因素的影响较大,所以该方法未能受到广泛应用[10]。
2.4 反电动势三次谐波法
反电势三次谐波法[11]依赖于定子中性点处3次谐波电压波形的检测。理想的无刷直流电动机绕组的反电动势为梯形波,经过Fourier级数分解,可以发现除了基波分量以外,还含有较大的三次谐波分量。三次谐波分量的一个周期对应基波分量的120°电角度,其相邻两次过零点间隔60°电角度,正好与电动机相邻两次换相的时间间隔相同,只是相位相差90°电角度。因此,将反电动势的三次谐波分量移相90°电角度后,得到的信号就可以作为转子位置信号,其每一个过零点均对应着一个电流的换相点。
反电动势三次谐波的检测有两种方法:一是在星形连接的绕组三端并联一组星形连接的电阻,两个中性点之间的电压即为三次谐波。当电动机的中性点没有引出线或不便引出时,可采用另一种方法——通过星形连接电阻的中性点与直流侧中点之间电压来获取三次谐波分量,不过它需要滤波器来消除高频分量。滤波器的引入,会使信号产生一定的相移。
用反电动势三次谐波法检测转子位置理论上与续流二极管的导通状态无关,能够在较高速下检测转子位置,可以在宽转速范围内达到很好的性能。但这种反电势三次谐波检测法只适用于绕组电感不变、三相参数对称、磁场三次谐波分量较大的电动机。
2.5 速度无关磁链函数法
速度无关磁链函数法是从一个全新的物理概念提出的转子位置检测方法,这个物理概念是基于速度无关磁链函数形成的,它能在转子转速近似为零一直到高速时都能对转子位置进行检测,并给出换相时刻[12]。
该磁链函数推导的最终形式为两个线反电势相除:
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其中,H(θ)为与速度有关的磁链函数,G(θ)为与速度无关的磁链函数,两个磁链函数和转子位置均具有一一对应关系。
图3所示为基于式(1)的G(θ)函数曲线(G(θ)bc/ab, G(θ)ab/ca,G(θ)ca/bc)。可以看出,换相总发生在G(θ)函数从正无穷到负无穷的跳变时刻,利用G(θ)函数提供的电动机换相信息,可以进行无刷直流电动机无位置传感器控制。
仔细分析G(θ)函数的波形,在每两个换相点之间,理想的G(θ)函数和转速无关,且包含连续的转子位置信息。为了使G(θ)函数转子位置检测法计算的换相点更加准确,只要利用G(θ)函数波形的上半部分即可得到转子位置,标准的换相点是G(θ)函数的峰值处。G(θ)函数的波形在整个速度范围内是相同的,理论上与电动机速度无关,因此这种位置检测法适用于更宽的转速范围,尤其可以拓展无刷直流电动机无位置传感器控制的低调速范围。在实际应用G(θ)函数进行转子位置估算时,将计算得到的函数值与预先设定的阈值进行比较,达到阈值即产生相应的换相信号并开始换相,并可以调节该阀值来实现电动机的超前或滞后换相。
该方法实现的关键在于线间反电动势的获取,本质上还是基于反电动势转子位置检测,不适于极低速和静止状态下的位置检测。这种位置检测方法有最大转速的限制,最大转速取值与电动机极对数、电流采样频率和位置估算分辨率有关。
3 无刷直流电动机转矩脉动抑制
转矩脉动是无刷直流电动机运行中的一项重要的性能指标,相比于永磁同步电动机,永磁无刷直流电动机转矩脉动较大。这会影响整个系统的控制特性,并且会产生噪声和振动等问题,降低了机器的使用寿命和驱动系统的可靠性,制约了其在高精度、高稳定性场合的应用,因此,必须研究无刷直流电动机转矩脉动的抑制。根据产生机理的不同,永磁无刷直流电动机转矩脉动主要分成齿槽转矩脉动和换相转矩脉动两种[13]。
3.1 齿槽转矩脉动抑制
这种脉动也称为磁阻转矩脉动,是由于定子齿槽的存在,使得在一个磁状态内,极下磁阻发生变化引起的。目前抑制齿槽转矩的方法主要有斜槽/斜极法、磁性槽楔法、减小槽口宽度法、辅助槽/辅助齿法、分数槽法、变极弧宽度和变磁极位置法等[14],当然,最好的办法是采用无槽式绕组。
3.2 换相转矩脉动抑制
电动机每转过60°电角度换相转矩脉动就会出现一次。与齿槽转矩脉动相比,换相转矩脉动频率较低而幅值较大,是永磁无刷直流电动机转矩脉动的主要成分。换相转矩脉动产生的原因主要是反电势波形不理想、换相的时刻不适当、电流在绕组电感的作用下变化较慢。对换相转矩脉动的抑制可以采用重叠换相法。
在电动机控制中,提前导通下一只该导通的开关管(此时有三只管子导通),使原来处于弱磁区域的绕组电
流转移一部分到处于磁密较高的下一相绕组中,该电流将产生补偿转矩,以减小转矩波动,这种方法叫超前导通控制;也可以采用延时导通控制,即在该关断绕组时而不关断,使其延时通电,同样可以产生补偿转矩,这两种方法的实质都是重叠换相法,可以抑制电流换相过程引起的电磁转矩脉动。
4 结论
本文对无刷直流电动机无位置传感器的控制技术进行了研究,分析比较了各种控制方法的优缺点,然后介绍了无刷直流电动机转矩脉动产生的原因及其抑制方法。随着对这些控制方法和转矩脉动问题的深入解决,稀土永磁直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。
摘要：介绍了永磁无刷直流电动机的无位置传感器控制方法,分析了工作的基本原理、优缺点等,并对它们的特性作了比较。最后,对无刷直流电动机的转矩脉动抑制方法作了探讨。
永磁无刷直流电机论文 篇8
伴随我国经济的高速发展,工业生产过程中电气设备种类和数量不断增多。电动机作为世界最大的电能消耗体,已经深入到工业生产中的各个领域,在经济发展中起到举足轻重的作用。假如运行中的电动机突然出现故障,将对整个工业生产系统造成严重的影响,甚至造成生产的瘫痪。因此,开展关于电动机运行参数在线检测技术能有效提高生产效率,避免由于电动机故障带来的生产隐患,具有十分重要的意义。
传统电动机运行参数在线检测系统功能简单,只能对单一参数进行测试,不具备与上位机之间通讯和数据存储、调用等功能。需要了解电动机运行状态时,操作人员必须到现场抄录现场数据,增加了电动机维护的工作量。同时,在电动机故障情况下不能实现智能化处理,多个电动机之间不能进行联锁操作,不能满足安全生产和智能化电气设备技术发展的需求。
2 无刷直流电动机
2.1 工作原理
无刷直流电动机利用电磁作用原理,将永磁材料装在电动机转子上,将绕组线圈缠绕在定子上,线圈绕组通入工频电流,在定子周围产生电磁场,永磁体产生的磁场与电磁场相互作用产生转矩驱动转子旋转,采用智能控制算法根据转子的位置变化控制线圈电流通断及方向,改变电磁场的方向,使之与永磁体磁场持续相互作用,保证无刷直流电动机稳定运转[1]。电动机本体、控制单元、转子位置检测单元三部分组成无刷直流电机基本结构,如图1所示。其中转子位置检测单元用于采集电动机转子信息,并进行信号处理后发送给控制单元;控制单元负责信息处理、控制指令发送、电源整流逆变等,三相桥式逆变器的开关管为V1~V6;电动机本体实现电能与机械能之间的转换。
无刷直流电动机的永磁体为钕铁硼材料,采用瓦型结构,充磁方式为径向充磁,常用的转子结构分为内置切向式、表面插入式及内置混合式三种。表面插入式转子结构具有成本低、制造工艺简单、运动惯量小等优点,有利于提高功率密度,但其结构特点决定不能进行异步启动[2]。内置切向式转子结构由于一个磁通来源于相邻两个磁极,便于得到更大的磁通,尤其是在电机极数较多时这个结构能够产生更大的磁通。内置混合式转子结构与切向式相比,转子冲片机械强度高、永磁体安装转子不易变形,但其结构复杂、制造工艺要求较高。
2.2 无刷直流电动机数学模型
为便于定量分析、突出重点,在分析无刷直流电动机时,对三相绕组、气隙磁场、转子磁场等进行理想化处理,并作如下假设:①不考虑电枢反应对气隙磁场的影响;②忽略转子的感应电流效应和转速波动;③将功率电路用等效电路替代;④不考虑三相绕组电感及互感之间的影响,不考虑电流过渡的过程。
无刷直流电动机的三相绕组电压平衡方程为:
式中,U为每相绕组的电压;r为每相绕组电阻;i为每相绕组电流;L为每相绕组电感;E为每相反电动势。根据无刷直流电动机的三相绕组电压平衡方程得到运行时的无刷直流电动机电压方程:
式中,ua、ub、uc为三相相电压;ia、ib、ic为三相相电流;L为每相自感;Mab、Mbc、Mca为互感;ea、eb、ec为三相反电势,ra、rb、rc为三相相电阻。
Y型连接方式的三相六状态无刷直流电动机,每次其中两相绕组导通,三相相电流关系方程为:
3 检测系统硬件电路
永磁无刷直流电动机运行参数在线检测系统利用高精度传感器检测电动机转速、电压、电流、温度等运行参数,经数据处理单元隔离变换,反馈给中央处理器,中央处理器对数据进行运算,调用安全运行参数数据库对所测数据判断分析,得到电动机的运行状态,在电动机故障情况下封锁控制指令输出并报警。中央处理器内部具有通讯模块,经过通讯电路能够直接将电动机运行的实时状态发送给监控室中的计算机,工作人员可以在开发的上位机界面上掌握电动机的运行状态[3]。永磁无刷直流电动机运行参数在线检测系统结构如图2所示。
3.1 电流检测单元
电流是表征电动机运行状态的重要参数,选用闭环霍尔电流传感器检测电动机三相绕组电流。霍尔电流传感器根据霍尔磁平衡的原理,在电流流过的导线周围会产生与电流大小成正比的磁场,利用霍尔元器件检测磁场的大小,输出线性电压信号,传感器内部自带信号隔离的功能,同时具有输出信号稳定、抗干扰能力强、动态特性好等优点。检测时,被测电动机穿过霍尔传感器,霍尔电流传感器电气连接图如图3所示。
3.2 温度检测单元
三相绕组、壳体表面、轴承盖、轴头等部位的温度是衡量电动机工作状态的重要指标,选择合适的传感器是电动机温度检测单元设计要解决的首要问题。温度传感器发展经历分了立式温度传感器、模拟集成温度传感器及智能温度传感器三个阶段,模拟集成温度传感器测试精度、抗干扰能力及稳定性远远高于分立式温度传感器,在价格上远远低于智能温度传感器,所以在温度检测中具有广泛的应用[4]。AD590是模拟集成温度传感器的代表,属于兼有集成恒流源的传感器,在测试温度范围内是温控电流源,温度每增加1 K,输出电流增加1μA。在传感器信号输出端加一负载电阻,将传感器输出的电流信号转换成电压信号,经过信号处理后反馈给DSP,温度检测电路如图4所示。
3.3 软件程序
CCS3.3是DSP专业集成软件编译环境,提供了配置、建立、调试、跟踪和分析程序于一体的软件开发工具,能够实现嵌入式信号处理程序的实时编制及测试功能,大大加速了软件的开发速度,缩短相关产品的研发周期[5]。系统软件主要实现电压、电流、温度、转矩和转速等参数的信号采集、运算,并与给定安全值进行比较,当发生故障时,发出警报并封锁控制信号输出,实现对控制系统的保护。
4 结束语
状态评估技术是指对电动机的主要状态参数进行采集、计算和处理,调用数据库判断电机的运行状态,该技术是智能化电动机技术的发展趋势。永磁无刷直流电动机运行参数在线检测系统能够实现对电压、电流、温度等参数实时检测,具有稳定性好、实时性强等优点,为电动机状态评估技术的发展奠定基础。
参考文献
[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,2006.
[2]刘刚,王志强,房建成.永磁无刷直流电机控制技术与应用[M].北京:机械业出版社,2008:66-78.
[3]杨祖泉,姚绪梁,舒小芳.异步电动机直接转矩控制系统的仿真研究[J].电机与控制学报,2004,8(4):329-332.
[4]赵海森,李志强,张健.自起动永磁电机初始状态对起动冲击电流和冲击转矩的影响[J].电机与控制应用,2010,37(8):10-13.