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真钱扑克大全无刷直流电机的组成及工作原理

  无刷直流电机的组成及工作原理_机械/仪表_工程科技_专业资料。无刷直流电机的组成及工作原理 2.1 引言 直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部 分组成,电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成,而对转子位置的检测一 般用位置传感器来

  无刷直流电机的组成及工作原理 2.1 引言 直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部 分组成,电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成,而对转子位置的检测一 般用位置传感器来完成。工作时,控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有 序的触发驱动电路中的各个功率管,进行有序换流,以驱动直流电动机。下文从 无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。 2.2 无刷直流电机的组成 2.2.1 电动机本体 无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样,但它的电枢绕组 放在定子上,转子采用的重量、简化了结构、提高了性能,使其可*性得以提高。 无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的,磁性材料的发展过程基本上经 历了以下几个发展阶段:铝镍钴,铁氧体磁性材料,钕铁硼(NdFeB)。钕铁 硼有高磁能积,它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的 应用,进一步减少了电机的用铜量,促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方 向发展。 目前,为提高电动机的功率密度,出现了横向磁场永磁电机,其定子齿槽与电枢 线圈在空间位置上相互垂直,电机中的主磁通沿电机轴向流通,这种结构提高了 气隙磁密,能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发 阶段。 2.2.2 电子换相电路 控制电路:无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件,来控制电 机的转速、转向、转矩以及保护电机,包括过流、过压、过热等保护。控制电路 最初采用模拟电路,控制比较简单。如果将电路数字化,许多硬件工作可以直接 由软件完成,可以减少硬件电路,提高其可靠性,同时可以提高控制电路抗干扰 的能力,因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。 驱动电路: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。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现,直流电动机才从 有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通,而无自关断能力的半 控性开关器件,其开关频率较低,不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。 随着电力电子技术的飞速发展,出现了全控型的功率开关器件,其中有可关断晶 体管(GTO)、电力场效应晶体管(MOSFET)、金属栅双极性晶体管IGBT 模 块、集成门极换流晶闸管(IGCT)及近年新开发的电子注入增强栅晶体管(IEGT)。 随着这些功率器件性能的不断提高,相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速 发展。目前,全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的 普通晶闸管,驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态,相应的电 路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路,为驱动电路实现智能化、真钱扑克大全高频 化、小型化创造了条件。 2.2.3 转子位置检测电路 永磁无刷电动机是一闭环的机电一体化系统,它是通过转子磁极位置信号作 为电子开关线路的换相信号,因此,准确检测转子位置,并根据转子位置及时对 功率器件进行切换,是无刷直流电动机正常运行的关键。用位置传感器来作为转 子的位置检测装置是最直接有效的方法。一般将位置传感器安装于转子的轴上, 实现转子位置的实时检测。最早的位置传感器是磁电式的,既笨重又复杂,已被 淘汰;目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电动机中,另外还有光 电式的位置传感器。 2.3 电机控制系统总体结构及工作原理 本文所采用电机为MAXON 公司的EC 系列电机,其主要参数如下:额定功 率400W、额定电压48V、最大工作电流10.6A、额定转矩688mNm、堵转电流 139A、堵转转矩11000mNm、空载电流740mA、空载转速5400rpm、转矩常数 85mNm/A、速度常数113rpm/V、机械时间常数4.3ms、最大效率86%、相间电 阻0.37Ohm、相间电感0.27mH、转子惯量831gcm2 。 无刷直流电动机(BLCDM),它主要由电动机本体,霍尔位置传感器和电子 开关线路三部分组成。电动机本体主要包括定子和转子两部分,定予绕组分为A、 B、C 三相,每相相位相差120。,采用星形连接,三相绕组分别与电子开关线 路中相应的功率开关器件连接;转子由N、S 两极组成,极对数为1。图2.3.1 为 三相两极无刷直流电机结构。 电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间,主要由功 率逻辑开关单元和霍尔位置传感器信号处理单元两部分组成。功率逻辑开关单元 将电源功率以一定的逻辑分配关系分配给电机定子上的各相绕组,以便使电机产 生持续不断的转矩。霍尔位置检测器的作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位 置信号,进而控制逻辑开关单元的各相绕组导通顺序和时间。 图 2.3.1 三相两极无刷直流电机的结构 当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,再由霍尔位置传感器将转子磁钢位置变换成 电信号,去控制电子开关线路,从而使定子各相绕组按一定次序导通,定子相电 流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序与转子 转角同步,因而起到了机械换向器的换向作用。 电机采用全桥驱动方式,下面介绍电机工作在全桥驱动方式下的工作原理。 图2.3.2是电机全桥驱动方式的电路图,其中Q1,---,Q6 为六个功率开关管,它们 组成三相桥式逆变器。采用霍尔位置传感器来检测电机的转子位置信号,控制器 根据电机的位置信息按一定顺序组合六个功率开关管的导通,这样电机的绕组也 就按顺序导通,实现电机的运转。 图2.3.2 电机全桥驱动方式的电路图 这里采用两两通电,三相六状态方式,也就是指每一个瞬间上下桥臂各有两 个功率管导通,每隔1/6 周期(60?电角度)换相一次,每次换相一个功率管,每 个功率管一次导通120。电角度,各功率管导通顺序依次是Q1Q4——Q1Q6—— Q3Q6——Q3Q2—— Q5Q2——Q5Q4。表2.3.1 列出了电机正转和反转时三相 逆变器的通电顺序 表2.3.1 电机全桥驱动的通电规律 注:表中“+”表不正向通电,“一”表不反向通电。 2.4 电机控制策略 对于星形连接的三相无刷直流电机,在理想条件下,任何时刻只有两相绕组 通电导通,第三相不导通。这时,导通的两相电流大小相等但方向相反,不导通 的电流等于0,而且导通的两相反电动势大小也相等,方向相反。设加在两相通 电绕组上的电压平均值为U,则电压平衡方程式为: U = 2RSIS + 2LSpIS + 2ES + 2VSW = 2UR + 2UL + 2ES + 2VSW 式中, 为电枢绕组的电阻压降, UL为绕组电感压降, ES为绕组反电动势, VSW为功率开关管压降。 其中:Ce = NLpt 15 是由电机结构参数所决定的电动势常数,B 为气隙磁感应 强度,n 为电机转速。 所以,可得到电机转速为:n = U?2UR?2UL?2VSW 2CeB 由上式可知,无刷直流电机的转速调节可以通过改变外加平均电压U来实现, 当U较大时,电机转速n就较大,当U较小时,电机转速n就较小。 因此,控制器可通过PWM(脉宽调制)信号实现电机调速,通过调节逆变器 功率开关管的PWM触发信号的占空比来改变外施的平均电压U,从而实现电机 的调速。 PWM是利用半导体开关管的导通与关断,把直流电压变为一定规律的电压 脉冲序列,并通过控制电压脉冲宽度或周期以实现调压、调频和消除谐波的技术。 图3是利用开关管对电机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。 在图2.4.1(a)中,当开关管Q1栅极输入Ui为高电平电压时,开关管导通,电机电 枢绕组两端电压为Us。t1时间后,栅极输入Ui变为低电平,开关管截止,电机电 枢两端电压为零。t2时间后,栅极输入重新变为高电平,开关管的动作重复前面 的过程。这样,对应着开关管Ql栅极输入的电平高低,电机电枢绕组两端的电压 波形如图2.4.1(b)所示。 图2.4.1 PWM 调速控制原理和电压波形图 电机电枢绕组两端的电压平均值U 为:U = t1US+0 t1+t2 = t1 T US = αUS 式中,α ——占空比。 α = t2 T (2.4) 占空比α 表示了在一个周期T里,开关管导通的时间长短与周期的比值。α 的变化范围为O≤α ≤1。由式可知,当电源电压Us不变时,电枢绕组两端的电 压平均值U取决于占空比α 的大小。改变α 的值即可以改变端电压的平均值,从 而达到调速的目的,这就是电机的PWM调速原理。 在PWM 调速时,占空比α 是一个重要参数。由式(2.4)及T = t1 + t2 可知, 有三种方法可以改变占空比α 的值: (1)定宽调频法:这种方法是保持t1不变,只改变t2,这样使周期T(或频率)也 随之改变。 (2)调宽调频法:这种方法是保持t2 不变,只改变t1,这样使周期T(或频率)也 随之改变。 (3)定频调宽法:这种方法是保持周期T(或频率)保持不变,而同时改变t1 和t2。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率),当控制脉冲的频 率与系统的固有频率接近时,将会引起振荡,因此这两种方法使用比较少。所以 在本控制器的电机控制系统中,使用定频调宽法。 PWM技术又可分为单极性PWM控制和双极性PWM控制。单极性PWM控制 的控制信号如图2.4.2(a)所示,在每个60。电角度的区域内,一个功率开关管一 直处于开通状态,另一个处于PWM状态;双极性PWM控制的控制信号如图4(b) 所示,在每个60?电角度区域内,两个工作的功率管都工作在PWM状态,它们同 时开通,同时关断。 (a) 单极性PWM控制各触发信号 (b) 单极性PWM控制各触发信号 图2.4.2 采用单极性PWM控制与采用双极性‘PWM控制相比,电机电流波动较小, 而且在双极性PWM控制状态下,6个功率开关管都处于开关状态,功率损耗较大。 因此,为了减少电机电流波动以及减少控制器的功耗,本电机控制器采用单极性 的PWM控制技术。 2.5 系统总体结构 系统采用速度环和电流环以实现电机的双闭环控制,其外环为速度环,内环 采用电流环,速度反馈是通过检测霍尔位置传感器信息计算电机的转速,电流反 馈是通过采样电机的相电流来实现的。给定速度与速度反馈量形成偏差,经速度 调节后产生电流参考值,它与电流反馈量的偏差经电流调节后形成相应的PWM 占空比,最后经过电压逆变将电源电压加到电机三相绕组,实现电机的速度控制, 系统的总体结构框图如图2.5.1所示。 图2.5.1 系统总体结构框图 为了获得良好的静、动态性能,本控制器在电机速度调节策略方面,对传统 的PID控制进行了改进,采用了积分分离PID控制作为速度调节器的控制算法。 由于在数字增量式PID调节控制系统中,虽然积分环节可以消除静差、提高精度, 但加入积分校正后,会造成积分积累,产生过大的超调量,在电机的运行过程中, 这是不理想的。所以,为了减少在电机运行过程中积分校正对控制系统动态性能 的影响,需要在电机的启停阶段或大幅度加减速时,采用积分分离PID控制算法, 即只加比例、微分运算,取消积分校正。而当电机的实际速度与给定速度的偏差 小于一定值时,则恢复积分校正作用。 利用DSP的逻辑运算功能;.可以很方便地确定积分分离PID控制的进程, 实现电机的积分分离PID速度控制,弥补模拟PID调节控制的不足,改善系统的 控制性能,减少超调量,缩短速度调整时间。 电流调节器采用PI调节,就是将速度调节得到的参考电流与实际检测到的电 机电流进行比较,它们的偏差值经过PI调节后得到的控制量用于改变PWM的占 空比。 简要介绍一下整个速度控制系统的原理:首先,通过霍尔位置传感器信息计 算出电机运行中的实时转速,然后将实时电机转速和给定的参考速度之间的偏差 经积分分离PID调节后,输出电流参考值。其次,将电流参考值与电机实际电流 进行比较,得到的偏差值输入电流控制器进行电流PI调节,调节后的控制量用于 改变PWM的占空比。最后,输出的PWM占空比经过电压逆变后输入电机,实现 电机的速度和电流的双闭环控制。

时间:2020-07-01 02:35