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无刷直流电动机PWM调速实验系统

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:641

摘  要:针对市场上现有的无刷直流电动机调速教学实验仪器不能自主构建控制方式和参数整定方法等不足之处,采用两两导通星形三相六状态工作方式,设计了用逻辑控制芯片控制的无刷直流电动机PWM调速实验系统,实现了无刷直流电动机的开环机械特性和双闭环控制调速测试等实验。

引  言

  无刷直流电动机实验的教学目的是通过特性实验、开环闭环控制实验了解无刷直流电动机的特性并进行开环机械特性、闭环机械特性的测试和分析比较。而国内众多知名教学仪器厂家的产品,具有无刷直流电动机调速系统实验装置的极少,且产品价格昂贵,实验功能过于简单和单调,不能自由组合闭环控制线路、自主调节设定相关参数。本文介绍的无刷直流电动机调速实验系统,通过合理的模块化分解,在解决系统分解可能引起的各种干扰的前提下进行无刷直流电动机的特性实验和开环、闭环控制实验,实现基本控制方案的自由组合。

1系统结构和工作原理

   无刷直流电动机控制系统通常采用转速、电流双闭环控制,本文中的无刷直流电动机实验系统要求既能实现闭环控制调速实验又能完成开环机械特性测试实验,其系统框图如图1所示。

   图l中,开关K用于开环实验和闭环实验间的切换,当开关K置于2时可进行开环机械特性实验。通过调节输入电压Us的大小,经过逆变器产生可调的无刷直流电动机供电电源,实现电机的转速调节,完成n=f(U)的测试实验。 图1无刷直流电动机调速系统框图

   当开关K置于1时可进行闭环调速实验,速度为外环,电流为内环,构成双闭环控制系统。速度给定信号n*与速度反馈信号n进行比较,经过速度调节器,输出的控制信号作为电流信号的参考值i*,它与电流信号的反馈值i比较后经过电流调节器,输出的控制信号作为电压参考值,与给定三角载波比较后形成PWM调制波,控制逆变器的实际电压,完成无刷电动机的双闭环调速控制。

   图l中位置检测器检测的电机转子的位置信号经过位置信号处理得到位置控制信号,输出到逻辑控制单元中,逻辑控制单元采用逻辑控制芯片作为控制器,主要完成对霍尔位置信号、PWM调制信号、正反转及过流保护信号进行逻辑综合,为驱动电路提供各开关管的载波信号和选通信号,实现电机的各种调速功能。

1.1逆变器主电路的拓扑结构与工作方式

   无刷直流电动机定子绕组的相数有不同选择,绕组的连接方式有星形和三角形之分,而逆变器主电路又有半桥式和桥式两种。不同的组合会使电动机产生不同的性能和成本。根据实际应用情况从绕组利用率、转矩脉动及电路成本三方面考虑逆变器主电路选择星形三相桥式结构,如图2所示。

    图2星形连接三相桥式主电路

   无刷直流电动机的逆变器三相桥式主电路的控制方式采用两两导通方式。

   两两导通方式是在任意时刻只有两个开关管同时导通。当开关管的导通顺序为:T1、T2→T2、T3→T3、T4→T4、T5→T5、T6→T6、T1时电机获得最大转矩。在这种工作方式下,每个电周期共有六种导通状态,每隔60°电角度工作状态改变一次,每个开关管导通120°电角度。这种工作方式也称为两相导通星形三相六状态方式。如图3所示。

 图3开关管导通规律及其三相绕组的反电动势波形

   两两导通方式下,每个管子均有60°电角度的不导通时间,不会发生直通短路故障。而且两两导通方式很好地利用方波气隙磁场的平顶部分,使得电机的出力大,电磁转矩比三三导通方式大、且转矩平稳性好。

1.2 PWM调制方式

   通过控制逆变器功率开关管导通和截止的占空比,进行电压调节,实现无刷直流电动机的调速。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机,在一个周期内每个功率开关器件导通120°电角度,每隔60°有两个开关器件切换;对于导通的功率管,本系统采用H_on_L_pwm型半桥调制方式:即在各自的120°导通区间内,上桥臂开关管恒通,下桥臂开关管通过PWM调制,以此控制电机上的电压,如图4所示。相对于全桥调制方式的上下桥臂均采用PWM调制,半桥调制方式功率开关的动态功耗是全桥桥调制的一半,有利于提高系统的效率。

   图4半桥PWM调制(H_0n_L_pwm型)

1.3逻辑控制部分设计

   本系统采用逻辑控制芯片作为控制器,主要完成对霍尔位置信号(H1、H2H)、PWM调制信号PWM)、正反转信号(F/B)及过流保护信号(PRO-TECT)进行逻辑综合,为驱动电路提供各开关管的调制信号和选通信号(T1~T6),实现电机的各种调速功能。

   当正反转信号F/为高电平时,电机正转,开关管的驱动信号与霍尔位置信号(H1、H2、H3)的控制逻辑关系如表1所示;当F/B为低电平时,电机反转,开关管的驱动信号与霍尔位置信号(H1、H2、H3)的控制逻辑关系如表2所示。

表1   F/B=H,电机正转时开关管的控制逻辑

   开环控制时,T1~T6不受PWM波调制控制,直接调节输入电源电压实现对电机转速的调节;闭环控制时,由于采用半桥。PWM调制方式,因此下桥臂T4、T6、T2管受PWM波调制控制,实现电机转速的调节。当主电路过流时,PROTECT=L,封锁T1~T6控制信号,电机停止运行,实现过流保护。

2调试结果及其分析

   针对此实验系统,进行无刷直流电动机的各种调速特性实验,其开环机械特性实验、闭环控制特性实验、闭环机械特性实验的数据如表3~表5所示。

表3电压Us=200 V时开环机械特性

实验结果表明:

(1)开环时电机的机械特性较软,静差率达到2.4%,闭环时机械特性较硬,静差率达到一O.6%;表5中,负载增大,转速略有回升,这是因为电流反馈信号比较小,测速装置的精度不高,而转速和电流调节器都是模拟器件实现的,分辨率不高;再则此实验系统需要学生自主接线,引线过长,引起干扰,出现过补偿现象,但精度<±1%,故系统是可用的;

(2)当n>60 r/min时闭环控制调速特性的线性度良好;由于此实验系统的测速装置是永磁12相测速发电机进行测速的,低速时测速发电机的纹波较大,因此表4中n<60 r/min时系统的数据是不准确的。

3结语

利用逻辑控制芯片作为控制器,把无刷直流电动机控制系统进行合理的模块化分解,设计实现了无刷直流电动机调速实验系统,与市场上现有产品相比具有以下特点:

(1)在尽量解决系统分解可能引起的各种干扰的前提下,能够满足实验者根据图1的模块,学习合理构建无刷直流电动机控制系统、实践系统参数调整的方法,实现控制参数自由设定的实验要求。

(2)能够实现无刷直流电动机特性测试实验、开环控制调速系统实验、闭环控制调速系统实验等多种实验。

(3)实验系统成本在2 000元左右,远远低于目前市场现有产品的售价(一般在1.8万元左右)。

 为了完全实现无刷直流电动机各种控制方法的自由组合,在此系统开发的基础上,还需要进行进一步加以完善:如选用精度较高的测速装置改善此系统中低速实验不准确的不足;在此系统开、闭环控制基本教学实验满足的基础上,增加矢量控制等现代先进的控制模块。    

 本系统可以与市场上主流的小电机调速实验系统配套,解决现有产品的一些不足,利用模块化的思想,在此母体的基础上对各种先进的控制模块进一步开发,更加适合实践教学需求,此系统具有良好的市场前景和经济效益,已投入生产。

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