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无刷直流电机的工作原理

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  无刷直流电机原理 无刷直流电动机的工作原理 普通直流电动机的电枢在转子上, 而定子产生固定不动的磁场。 为了使直流电动机旋转, 需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向, 使两个磁场的方向始终保持相互垂 直,从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。 无刷直流电动机为了去掉电刷,将电枢放到定子上去,而转子制成永磁体,这样的结 构正好和普通直流电动机相反;然而,即使这样改变还不够,因为定子上的电枢通过直流电 后,只能产生不变的磁场,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置在不断地变化, 使定子磁场与 转子永磁磁场始终保持左右的空间角,产生转矩推动转子旋转。 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。 ● 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法, 同三相异步电动机十分相似。 电 动机的转子上粘有已充磁的永磁体,为了检测电动机转子的极性,在电动机内装 有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是:接受电动 机的启动、停止、制动信号,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感 器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接受速 度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。无刷直流 电动机的原理简图如图一所示: 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路,逆变器提供等幅等频 5-26KHZ 调制波的对称交变矩形波。 永磁体 N-S 交替交换, 使位置传感器产生相位差 120° 的 U、V、W 方波,结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号:101、100、 110、010、011、001,通过逻辑组建处理产生 T1-T4 导通、T1-T6 导通、T3-T6 导通、T3-T2 导通、T5-T2 导通、T5-T4 导通,也就是说将直流母线电压依次加 在 A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上,这样转子每转过一对 N-S 极, T1-T6 功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下,仅有两相绕组 通电,依次改变一种状态,定子绕组产生的磁场轴线° 电度角,转 子跟随定子磁场转动相当于 60° 电度角空间位置,转子在新位置上,使位置传感 器 U、V、W 按约定产生一组新编码,新的编码又改变了功率管的导通组合,使 定子绕组产生的磁场轴再前进 60° 电度角,如此循环,无刷直流电动机将产生连 续转矩,拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的,而 不是由逆变器强制换向的,所以也称作自控式同步电动机。 ● 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前 转子磁场轴线位置, 所以不论转子的起始位置处在何处,电动机在启动瞬间就会 产生足够大的启动转矩, 因此转子上不需另设启动绕组。由于定子磁场轴线可视 作同转子轴线垂直, 在铁芯不饱和的情况下,产生的平均电磁转矩与绕组电流成 正比,这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。电动机的转矩正比于绕组平均 电 流 ; TM=Ktlav(N?M) 电 动 机 两 相 组 反 电 势 的 差 比 于 电 动 机 的 角 速 度 ; ELL=Keω(V)所以电动机绕组中的平均电流为:Iav=(Vm-ELL)/2Ra(A)其中, Vm=δ?VDC 是加在电动机线间电压平均值,VDC 是直流母线电压,δ 是调制波 的占空比,Ra 为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩: Tm=δ?(VDC?Kt/2Ra)-Kt?(Keω/2Ra)Kt、Ke 是电动机的结构常数,ω 为电动机 的角速度(rad/s),所以,在一定的 ω 时,改变占空比 δ,就可以线性地改变电动 机的电磁转矩,得到与他励支流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特 性。无刷直流电动机的转速设定,取决于速度指令 Vc 的高低,如果速度指令最 大值为+5V 对应的最高转速:Vc(max)ón max,那么,+5V 以下任何电平即对应 相当的转速 n,这就实现了变速设定。当 Vc 设定以后,无论是负载变化、电源 电压变化,还是环境温度变化,当转速低于指令转速时,反馈电压 Vfb 变小,调 制波的占空比 δ 就会变大, 电枢电流变大, 使电动机产生的电磁转矩增大而产生 加速度,直到电动机的实际转速与指令转速相等为止;反之,如果电动机实际转 速比指令转速高时,δ 减小,Tm 减小。发生减速度,直至实际转速与指令转速 相等为止。可以说,无刷直流电动机在允许的电网波动范围内,在允许的过载能 力以下,其稳定转速与指令转速相差在 1%左右,并可以实现在调速范围内恒转 矩运行。 由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体,所以不象异步机那样需要从 电网吸取励磁电流;由于转子中无交变磁通,其转子上既无铜耗又无铁耗,所以 效率比同容量异步电动机高 10%左右,一般来说,无刷直流电动机的能力指针 (ηcosθ)比同容量三相异步电动机高 12%-20%。 ● 由于无刷直流电动机是以自控式运行的, 所以不会像变频调速下重载启动的同 步电动机那样在转子上另加启动绕组,也不会在负载突变时产生振荡和失步。中 小容量的无刷直流电动机的永磁体,现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼(Nd-fe-B) 材料。 因此, 稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机 座号。 近三十年针对异步电动机变频调速的研究,归根到底是在寻找控制异步电 动机转矩的方法, 而无刷直流电动机的电流或电枢的端电压,就是直接控制电动 机转矩的物理量。过去,由于稀土永磁体价格比较高等因素,限制了稀土永磁无 刷直流电动机的应用领域, 但是随着技术的不断创新, 其价格已迅速下降, 例如, 我公司推出推出 BS 系列无刷直流电动机的售价已与异步电动机和普通变频器价 格之和相差无几。稀土永磁无刷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。 无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机,有称无换向器电机。早在上世纪诞生电机的时候,产生 的实用性电机就是无刷形式,即交流鼠笼式异步电动机,这种电动机得到了广泛的应用。但是,异步电动 机有许多无法克服的缺陷,以致电机技术发展缓慢。本世纪中叶诞生了晶体管,因而采用晶体管换向电路 代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机,它克服了 第一代无刷电机的缺陷。 实用性新型无刷电机是与电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等发展紧密联 系的。它不仅限于交直流领域,还涉及电动、发电的能量转换和信号传感等领域。在电机领域中新型无刷 电机的品种是较多的,但性能优良的无刷电机因受到价格的限制,其应用还不十分广泛。下面分别就主要 的新型无刷电机进行探索与研究。 1 直流无刷电动机 直流无刷电动机与一般直流电动机具有相同的工作原理和应用特性,而其组成是不一样的。除了电 机本身外,前者还多一个换向电路,电机本身和换向电路紧密结合在一起。许多小功率电动机的电机本身 是与换向电路合成一体,从外观上看直流无刷电动机与直流电动机完全一样。 直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分,它除了电机电枢、永磁励磁两部分外,还带有传 感器。电机本身是直流无刷电机的核心,它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等,还涉 及制造费用及产品成本。由于采用永磁磁场,使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构,满足 各种应用市场的要求,并向着省铜节材、制造简便的方向发展。永磁磁场的发展与永磁材料的应用密切相 关,第三代永磁材料的应用,促使直流无刷电机向高效率、小型化、节能方向迈进。 为了实现电子换向必须有位置信号来控制电路。早期用机电位置传感器获得位置信号,现已逐步用 电子式位置传感器或其它方法得到位置信号,最简便的方法是利用电枢绕组的电势信号作为位置信号。 要实现电机转速的控制必须有速度信号。用获得位置信号相近方法取得速度信号,最简单的速度传 感器是测频式测速发电机与电子线路相结合。 直流无刷电机的换向电路由驱动及控制两部分组成,这两部分是不容易分开的,尤其小功率用电路 往往将两者集成化成为单一专用集成电路。 在功率较大的电机中,驱动电路和控制电路可各自成为一体。驱动电路输出电功率,驱动电动机的 电枢绕组,并受控于控制电路。目前,驱动电路已从线性放大状态转成脉宽调制的开关状态,相应电路组 成也从晶体管分立电路转成模块化集成电路。模块化集成电路有功率双极晶体管、功率场效应管和隔离栅 场效应双极晶体管等组成形式。虽然,隔离栅场效应双极晶体管价格较贵,但从可靠安全和性能角度看, 选用它还是较合适的。 控制电路用作控制电机的转速、转向、电流(或转矩)以及保护电机的过流、过压、过热等。上述参 数容易转成模拟信号,用此来控制较简单,但从发展来看,电机的参数应转换成数字量,通过数字式控制 电路来控制电机。当前,控制电路有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成方式。在对电 机控制要求不高的场合,专用集成电路组成控制电路是简单实用的方式。采用数字信号处理器组成控制电 路是今后发展方向,有关数字信号处理器将在下面交流同步伺服电动机中介绍。 目前,在微小功率范畴直流无刷电动机是发展较快的新型电机。由于各个应用领域需要各自独特的 直流无刷电动机,所以直流无刷电动机的类型较多。大体上有计算机外存储器以及 VCD、DVD、CD 主轴 驱动用扁平式无铁心电机结构,小型通风机用外转子电机结构,家电用多极磁场结构及内装式结构,电动 自行车用多极、外转子结构等等。上述直流无刷电动机的电机本身和电路均成一体,使用十分方便,它的 产量也非常大。为了满足大批量、低成本的市场需要,直流无刷电动机的生产必须要形成规模经济。因此, 直流无刷电动机是一种高投入、高产出的行业。同时,我们应该考虑到市场也在不断地发展,如家用空调 用电机正由 3A 转向 3D,需要大量的中小功率的直流无刷直流电动机,研究和开发中小功率的直流无刷电 动机也成当务之急。 无刷直流电机(BLDCM)是在有刷直流电动机的基础上发展来的,但它的驱动电流是不折不扣的交流; 无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地,无刷电机的驱动电流有两种,一种是梯 形波(一般是“方波”) ,另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机,后一种叫交流伺服电机,确切 地讲是交流伺服电动机的一种。 无刷直流电机为了减少转动惯量,通常采用“细长”的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流 电机小的多,相应的转动惯量可以减少 40%—50%左右。由于永磁材料的加工问题,致使无刷直流电机一 般的容量都在 100kW 以下。 这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好,调速范围广,寿命长,维护方便噪声小,不存在因电刷 而引起的一系列问题,所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。 直流无刷电机的优越性 直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能,但直流 电机的优点也正是它的缺点,因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能,则电枢磁场与转子磁场须 恒维持 90°,这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组 件损坏之外,使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子,免维护、坚固、应用广,但特性上若要 达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。 现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多, 提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快,可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统 中,适当控制交流电机在两轴电流分量,达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。 此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中,而且体积越来越小;像模拟/数字转换器 (Analog-to-digital converter,ADC)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator,PWM)…等。直流无刷电机 即是以电子方式控制交流电机换相,得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。 直流无刷电机的控制结构 直流无刷电机是同步电机的一种, 也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P) 影响: N=120.f / P。在转子极数固定情况下,改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷 电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器),控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制 中心反复校正,以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载 变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) :电源部提供三相电源给电机,控制部则依需求转换输 入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为 24V)或以交流电输入(110V/220 V),如果输入是交流电就得先 经转换器(converter)转成直流。 不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流 器(inverter)转成 3 相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由 6 个功率晶体管(Q1~Q6)分为上臂(Q1、 Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供 PWM(脉冲宽度调制)决 定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度 可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制,所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器 (hall-sensor),做为速度之闭回路控制,同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能 拿来做为定位控制。 (图一) 直流无刷电机的控制原理 要让电机转动起来,首先控制部就必须根据 hall-sensor 感应到的电机转子目前所在位置,然后依照 定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序, 下 如 (图二) inverter 中之 AH、 BH、 CH(这些称为上臂功率晶体管)及 AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管),使电流依序流经电机线圈产生顺 向(或逆向)旋转磁场,并与转子的磁铁相互作用,如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到 hall-sensor 感应出另一组信号的位置时,控制部又再开启下一组功率晶体管,如此循环电机就可以依同 一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管);要电机转子 反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下: AH、BL 一组→AH、CL 一组→BH、CL 一组→BH、AL 一组→CH、AL 一组→CH、BL 一组, 但绝不能开成 AH、AL 或 BH、BL 或 CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间,所以功率晶体管 在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去,否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭,下臂(或上臂)就 已开启,结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。 (图二) 当电机转动起来,控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令(Command)与 hall-sensor 信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、 或 AH、 或 BH、 或……) BL CL CL 开关导通,以及导通时间长短。速度不够则开长,速度过头则减短,此部份工作就由 PWM 来完成。PWM 是 决定电机转速快或慢的方式,如何产生这样的 PWM 才是要达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制 必须考虑到系统的 CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间,另外对于 hall-sensor 信号变化的资 料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回 传的 hall-sensor 信号变化变得更慢,怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数 值就显得非常重要。或者速度回传改变以 encoder 变化为参考,使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。 电机能够运转顺畅而且响应良好,P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控 制,因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少,这就是误差(Error)。知道了 误差自然就要补偿,方式有传统的工程控制如 P.I.D.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的,若要 控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握,所以模糊控制、专家系统及神经网 络也将被纳入成为智能型 P.I.D.控制的重要理论。 P.I.D 控制简介 一般 P.I.D 控制如下 (dutycycle)=(dutycycle)p + (dutycycle)i + (dutycycle)d (图三) P.控制(比例控制) : 输出与输入误差讯号成正比关系, 即将误差固定比例修正, 但系统会有稳态误差。 I .控制(积分控制) :当系统进入稳态有稳态误差时,将误差取时间的积分,即便误差很小也能随时 间增加而加大,使稳态误差减小直到为零。 D.控制(微分控制):当系统在克服误差时,其变化总是落后于误差变化,表示系统存在较大惯性组件 或(且)有滞后组件。微分即是预测误差变化的趋势以便提前作用避免被控量严重冲过头。 电机驱动器的保护措施 对于驱动器还要有保护措施,当负载过大或不当使用时会造成大电流而将功率晶体管烧毁。为了保护 因电流超过规格而破坏驱动器,一般会以加大功率晶体管耐电流或加电流 sensor 做为保护。其次当电机负 载不小的时候,在停止转动时由电机端回送至驱动器的能量及过电压都将危及驱动器,这可配合过电压保 护电路加上回生能量消散电路来防治。其它尚有 hall-sensor 正常与否判定也会影响 PWM 控制的正确性, 这可由控制部判断并适时警告即可。 DC 无刷电机系列控制疑难杂症处理案例 ·欲以电流值的大小来判断目前电机的负载状况是否有过载的迹象,该如何测量? 将电源线的其中一条拔起后,将电表(请先调至安培档)的一端接至驱动器的电源 CONNECTOR 其中一 接脚,另一端则接至电源插座的另一接脚(如下图四),如此即可测量出在现阶段的负载下所必须耗费的 电流值,之后再依此电流值来对照电机的电流/扭力对照表,如此即可得知目前的负载状况是正常或是 否 有过载的情形发生。

时间:2020-06-03 03:05