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永磁无刷直流电机驱动系统及其应用

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:143

摘要;介绍了无刷无槽永磁直流电机的结构和特点以及在高速台式离心机中的应用实例。对该应用中的刹车功能进行了重点论述。

0  引  言

高速台式离心机属常规实验室使用仪器,广泛应用于生物、化学、医学等科研教育部门。这些使用环境一般都要求运行可靠、高效率、低温升、低振低噪,永磁无刷直流电机的优点得到了充分的体现。本文基于无刷无槽永磁直流电机(型号:88PNT030)及其驱动系统(型号:A110/03801)·论述了该电机系统在高速离心机巾的应用。

    图1无刷无槽永磁电机结构

1无刷无槽永磁直流电机结构

无刷无槽永磁电机除了综合有槽无刷永磁电机的所有优点之外,还有许多新的优点。图1所示为无刷无槽永磁电机结构。其转子由N、S交替分布的永磁体构成,与传统的转子结构相同,不同之处在于定子。定子铁心由圆环型冲片叠压成,铁心上没有齿槽,绕组均匀分布到圆环型铁心的内圆上。

无槽结构电机的优点如下。

由于铁心没有齿槽,可用于放置绕组的空间增加,因此铜耗比有槽结构降低。

由于没有齿槽,不存在定子齿的饱和现象,涡流损耗和磁滞损耗大大降低,电机铁耗也很小。所以高速电机采用无槽结构可降低损耗,电机温升较低。

由于没有齿槽,绕组电感量及电气时间常数非常小,具有良好的动态性能,并且由于没有齿槽,传统电机难心解决的齿槽效应(定位转矩)问题在无槽电机中得到彻底的解决。因此无刷无槽电机可以在极低速到极高速范围内平稳运行。

2在高速台式离心机中的应用

以下为该设计的主要指标及功能要求。

电源:110V/60Hz;调速范围:(2000—15000)r/min;额定功率;250W。

驱动器主要功能:1)刹车功能;  2)闭环调速功能(速度控制电压为0V一5V);  3)启/停控制功能;4)速度脉冲输出功能。

经过论证,决定在驱动器方面采用“无刷电机专用控制芯片+隔离电路+预驱动电路+三相逆变桥(由MOSFET、构成)”的方案。电机采用三相(Y接)六状态方波驱动模式。

 图2控制电路

由于离心机的转速较高,在启动时采用软启动方式。所需PWM控制电压由上位机发出,故可按使用要求很方便地调节启动过程的时间/加速度。这样不但可以减少对系统的冲击(包括机械上的冲击或电气上的冲击),还可以较好地满足客户对启动时的低噪声和低振动的要求。同时在该具体工况中,驱动电路的设计关键是刹车时间可调(随着离心机的负载转盘大小不同而变化),刹车过程较为平稳。考虑到该关键功能要求,提出了一个较为可靠的电路方案.即刹车三步法。

具体描述如下。

第一步:恒流刹车,刹车开始时,绕组反电动势EMF约为140V,经三相整流及限流控制后,动能由刹车电阻RBRAKE(50fl/40W)吸收。在这过程中,由PWM设定刹车电阻的不同限流值IBL,即可改变刹车时间,这一阶段电机减速最快。

第二步刹车电阻直接吸收能量。当电机减速到EMF=IBLRBRAKE时,刹车电流不再受PWM控制,而是随反电动势EMF的下降(因为电机转速在下降),按照IBL2=EMF/RBAKE而线性下降。

第三步:当驱动器的速度检测电路检测到电机的转速低于某个设定值(如1000r/min)时,驱动器的控制电路控制绕组反动势EMF通过三相逆变桥的下桥臂MOSFET,由绕组直接短路。这个阶段刹车电流不通过刹车电阻,而是由绕组的电阻吸收。设定不同的进入第三步运行的速度阀值,也可以改变刹车时间。

3 样机实验

综上所述,设计了型号为88PNT030的无刷无槽永磁直流电机及型号为A1lO/03801的配套驱动器。测试结果描述如下:

1)由测功结果可知,该电机在250W,1500r/min时的效率高达85%,效率曲线比较平坦,在低负载时也能够有较高效率。如负载50W时的效率也能达到70%以上。电机的机械特性也比较硬。

2)温升试验表明,采用该无槽结构的电机比客户原来采用有槽结构的电机温升低8K。

3)通过噪声比较试验,用有槽无刷电机,其噪声为55分贝,而采用无槽无刷直流电机,其噪声下降到49分贝。

4)在刹车试验方面,电机带最大负载转盘以15000r/min运行时,刹车时间为(8—18)秒。由客户按使用需要自己设定,并且刹车过程非常平稳。

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