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无刷直流电动机的设计

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:198

本节通过一个具体产例,分析讨论无刷直流电动机的工作原理,更好地应用前几节讲述的设计方法。

 图61是无刷直流电动机的控制

   本例中的霍尔转子位置传感器采用三个霍尔器件,它们沿定子圆周可以相互间隔60°电角度配置,也可以相互间隔120°电角度配置,本例是相互间隔60°电角度配置的。图61无刷直流电动机的控制框图框图。每旋转60°电角度,就有一个霍尔器件改变其状态,逆变器内与之相对应的某一相的开关状态也将更新变化一次,这样开关状态变化六次(或称六步)就完成一个电气周转。一个电气周转内开关状态的变化次数可以用s来标记。如果一台电动机的磁极数2p=4,额定转速nH=3 000 r/min,我们把电动机正常运行时逆变器内开关状态每秒钟变化的次数称之谓无刷直流电动机的频率厶,则可以按下式计算:

图61中的逆变器是由六个BG1~BG6的功率开关器件所组成的桥式电路。根据电动机的电压和电流的额定值,功率开关器件可以选用MOSFETs或者IGBTs,或者选用一般的双极性功率晶体管。

表19 电动机顺时针方向旋转(从非驱动端看)时的驱动顺序

表20 电动机逆时针方向旋转(从非驱动端看)时的驱动顺序

   表19和表20分别列出了电动机顺时针和逆时针方向旋转时,霍尔转子位置传感器输出的A、B和C三个信号与六个功率开关器件的开关顺序之间的关系。霍尔转子位置传感器输出的A、B和C三个信号馈送至PICl8Fxx31微控制器,作为PICl8FXx31微控制器的输入信号。然后,PICl 8Fxx3 1微控制器根据所规定的驱动顺序定义(协议),对逆变器中六个功率开关器件的导通和截止状态进行控制。

   在如图61所示的无刷直流永动电动机的控制框图中,如果由PWMl至PWM6标记的六根信号线传送的不是脉宽调制PWM信号,而是按照所规定的驱动顺序定义(协议)传送的只是导通和截止的高低电平,电动机将在额定速度上运行。这时,直流母线电压等于电动机的额定电压和导通功率开关器件的压降之和。为了改变速度,这些被传送的信号

必须是在一个比电动机频率fm高很多的频率上进行脉宽调制(PWM)信号。根据经验,脉宽调制PWM的频率至少是电动机最大频率的10倍。当PWM的占空度在导通顺序区段内变小时,供给电动机定的平均电压就减小,电动机的速度就下降;反之,当PWM的占空度在导通顺序区段内变大时,供给电动机定的平均电压就增加,电动机的速度就升降。

   采用PWM信号的另一个优点是:当直流母线 电压比电动机的额定电压高很多的情况下,可以把PWM信号的占空度限止在与电动机的额定电压值相等效的百分比上,并藉此来控制电动机。这样,增加了控制器能与具有不同额定电压的电动机配合使用的灵活性,借助调节PWM信号的占空度可以使控制器输出的平均电压与电动机的额定电压相匹配。

   逆变器的控制方法有多种。一般情况下,逆变器内的六个功率开关器件都接受PWM信号的控制,如图62a所示。如果PWM信号在微控制器中在数量上受到限止,不能同时提供六路PWM信号的情况下,则逆变器内上边的功率开关器件BG1、BG3和BG5可以在相应顺序的整个导通区间内完全被接通,而逆变器内下边的功率开关器件BG4、BG6和BG2仍按照导通顺序接受具有一定占空度的PWM信号的控制,如图62b所示。

    图62逆变器内功率开关器件的控制方式

   同时,PICl8FXX3l微控制器内的一个计数器,我们可以利用它来计算霍尔转子位置传感两次相邻输出信号电平跳变之间的时间间隔。根据这个时间间隔可以计算出电动机的实际速度,进而可以求出电动机的实际速度与设定的参考速度之间的误差。然后,利用一个PID控制器来放大这个速度误差,并能在动态过程中调节PWM信号的占空比,从而实现电动机转速的闭环控制。

   这里,还有一个要说明的问题:对于三相半桥逆变电路而言,必须防止同一桥臂内上下两边的两个功率开关器件同时导通,即所谓的“死区”。一般而言,驱使一个处于导通状态的功率开关器件关断所需的时间toff要大于驱使一个处于关断状态的功率开关器件开通所需的时间ton,即toff>ton两者之间存在一个重叠的时间,即“死区”时间△t=toff一ton因此,在某些情况下,同一桥臂内上下两边的两个功率开关器件可能出现同时导通的现象,导致电路和设备的损坏。为此,必须采取“死区”控制措施,防止出现“死区”现象。但是,对二相二相轮流导通的无刷直流电动机而言,情况就不一样了。根据表19和表20所列的驱动顺序,对于给同一相电枢绕组供电的同一桥臂内的上下两边的两个功率开关器件而言,在从上边功率开关器件的导通时段(DC+)切换到下边功率开关器件的导通时段(DC一)之间,或者在从下边功率开关器件的导通时段(DC一)切换到上边功率开关器件的导通时段(DC+)之间,都被一个悬空状态的时段所隔开,而悬空状态的时段大于“死区”时间△t。在此情况下,给同一相电枢绕组供电的同一桥臂内的上下两边的两个功率开关器件永远不会同时导通,这是无刷直流永磁电动机的驱动顺序定义(协议)所赋于的固有特性。因此,对二相

二相轮流导通的无刷直流永磁电动机而言,不要需采用专门的“死区”控制措施。

11结束语

   无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。宏观而言,无刷直流电动机和有刷直流电动机基本上具有相同的运行机理:施加在电动机上的电压都是恒定不变的直流电压,输入电动机的电流都是直流电流,作用在电枢线圈(又可称元件)上的电压极性和通过电枢线圈的电流方向都是交变的,电枢线圈内的感应电动势的波形基本上是相似的,方向都是交变的。因此,两者的设计思路和设计方法基本上是一致的,只是某些具体的计算公式略有不同。

   无刷直流电动机和有刷直流电动机虽然具有相同的运行机理,但在运行性能方面存在着一定的差异:一般而言,有刷直流电动机电枢绕组的元件数和换向器的换向片数多于无刷直流电动机电枢绕组的相数;在运行过程中,有刷直流电动机的磁极磁场与电枢磁场始终处于正交状态,而无刷直流电动机的磁极磁场与电枢磁场在某一角度位置范围内变动,正交状态仅只是其中的一个瞬时位置。因此,在其它条件相同的情况下,在运行过程中,无刷直流电动机的力矩脉动要大于有刷直流电动机的力矩脉动;无刷直流电动机的电磁力矩要小于有刷直流电动机的电磁力矩。

   上述的设计计算方法仅适用于无刷直流电动机。在一般情况下,我们把采用非桥式逆变电路或120°导通型的三相半桥逆变电路作为驱动电源,给电动机提供矩形波直流驱动电压;电动机运行时,三相电枢绕组中一相一相轮流接通或两相两相轮流接通,在工作气隙内产生“跳跃式”旋转磁场的永磁电动机称谓无刷直流电动机。在无刷直流电动机中,希望能够获得近似于梯形波的气隙磁场,以便减小电动机运行时出现的力矩脉动。

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