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2014直流无刷电机及其驱动技术详解

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2014直流无刷电机及其驱动技术详解_幼儿读物_幼儿教育_教育专区。2014 PMSM的问题 ? ? 控制比直流伺服电机要复杂的多; 要想实现力矩控制,必须有角位置传感器,以测 量d-q坐标系的旋转角; 反电势必须是正弦波的,这对电机制造及工艺提 出了较高的要求。 L

  2014直流无刷电机及其驱动技术详解_幼儿读物_幼儿教育_教育专区。2014

  PMSM的问题 ? ? 控制比直流伺服电机要复杂的多; 要想实现力矩控制,必须有角位置传感器,以测 量d-q坐标系的旋转角; 反电势必须是正弦波的,这对电机制造及工艺提 出了较高的要求。 L R ? ua ia e 反电势必须是正弦波的才能产生正弦电流 PMSM全称为permanent magnet synchronous motor, 即永磁 同步电机。 运动控制是目前众多家用电器的关键需求,如烘干机、 洗衣机、冰箱、空调和各种厨房器具。为了使这些设备以最佳 性能工作,采用经过改进的新型马达控制技术是关键所在。此 外,能效的提高不仅有益于所有人,新技术还能够提供更多的 优势,如实现更平稳的工作,并大幅度降低噪声水平。制造商 正在应对这些挑战。我们注意到了这样一个变化趋势,即低效 交流感应马达逐渐被淘汰,人们转向采用高效的替代方案,如 无刷直流(BLDC)和永磁同步马达(PMSM) 。 3.3 无刷直流电动机 (Brushless Direct Current Motor ,BLDC) 1、无刷直流电动机结构 2、无刷直流电动机工作原理 3、无刷直流电动机电机特性 4、PWM控制技术 1. 结构 ? ? ? 由定子、转子、位置传感器及换相电路组成 定子采用叠片结构并在槽内铺设绕组的方式 定子绕组多采用三相并以星形方式连接 ? ? ? ? 将永磁体贴装在非导磁材料表面或镶嵌在其内构成。 大部分BLDC采用表面安装方式。 多为2到3对极的。 磁性材料多采用具有高磁通密度的稀土材料,如銣 铁硼等 ? ? ? 结构上BLDC与PMSM有些相似,但有两点不同: BLDC的转子磁极经专门的磁路设计,可获得梯形波的气 隙磁场。而 PMSM的气隙磁场是正弦波的。 BLDC的定子绕组结构使之产生的反电势是梯形波的。而 PMSM绕组结构产生正弦型的反电势。 PMSM定子绕组产生正弦型的反电势 BLDC的定子绕组产生的反电势是梯形波 附:电角度和机械角度 ? ? ? ? 机械角度是指电机转子的旋转角度,由Θm表示; 电角度是指磁场的旋转角度,由Θe表示。 当转子为一对极时,Θm=Θe; 当转子为n对极时,Θe=nΘm。 2. 工作原理 1)旋转磁场的产生 假定电机定子为3相6极,星型连接。转子为一对极。 A a COM c b B C A N i S S a N 图6-4 S i B COM N c b C ? ? 电流方向不同时,产生的磁场方向不同。 若绕组的绕线方向一致,当电流从A相绕组流进, 从B相绕组流出时,电流在两个绕组中产生的磁动 势方向是不同的。 6步通电顺序 A 4 1 a 3 COM 6 c b B 2 5 C ? ? 三相绕组通电遵循如下规则: 每步三个绕组中一个绕组流入电流,一个绕组流出电流,一个 绕组不导通; 通电顺序如下: 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C- 6步通电顺序 A FA+C- A FA+B- 4 1 a 3 COM FA+ 6 FB- FB+C- FC- FB-C+ FC+ FA- FB+ c b B 2 5 C B FA-B+ FA-C+ C ? ? ? 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C每步磁场旋转60度,每6步旋转磁场旋转一周; 每步仅一个绕组被换相。 6步通电顺序 FA+C- A FA+B- FA+ FB- FB+C- FC- FB-C+ FC+ FA- FB+ B FA-B+ ? ? ? ? C FA-C+ 随着磁场的旋转,吸引转子磁极随之旋转。 磁场顺时针旋转,电机顺时针旋转:1→2→3→4→5→6 磁场逆时针旋转,电机顺时针旋转:6→5→4→3→2→1 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C- 2)如何实现换相? ? ? 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C- 必须换相才能实现磁场的旋转,如果根据转子磁极的 位置换相,并在换相时满足定子磁势和转子磁势相互 垂直的条件,就能取得最大转矩。 要想根据转子磁极的位置换相,换相时就必须知道转 子的位置,但并不需要连续的位置信息,只要知道换 相点的位置即可。 在BLDC中,一般采用3个开关型霍尔传感器测量转子 的位置。由其输出的3位二进制编码去控制逆变器中6 个功率管的导通实现换相。 ? ? 开关型霍尔传感器 ? ? ? ? 霍尔元件+信号处理电路=霍尔传感器 利用霍尔效应,当施加的磁场达到“动作点”时, OC门输出低电压,称这种状态为“开”; 当施加磁场达到“释放点” 使OC门输出高电压, 称其为“关” 基于这个原理,可制成接近开关。 ? ? ? ? 如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置,当N极逐渐靠近 霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时,其输出是导通状态; 当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时,其输出仍 然保持导通状态;只有磁场转变为S极并达到一定值时,其输出 才翻转为截止状态。 在S-N交替变化磁场下,传感器输出波形占高、低电平各占50%。 如果转子是一对极,则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的 电压波形,如果转子是两对极,则输出两个周期的电压波形。 ? ? ? ? 直流无刷电机中一般安装3个霍尔传感器,间隔120度或60 度按圆周分布。 如果间隔120度,则3个霍尔传感器的输出波形相差120度 电角度; 输出信号中高、低电平各占180度电角度。 如果规定输出信号高电平为“1”,低电平为“0”,则输 出的三个信号可用3位二进制编码表示。 100 000 001 011 111 110 100 000 001 011 111 110 ?如果间隔60度,则输出波形相差60度电角度。 ?间隔120度与60度的二进制编码是不同的。 例:假定定子绕组为3相,转子为2对极,3个霍尔传感器间 隔 60度按圆周分布,由6只晶体管组成的桥式电路给电机供 电,分析其换相过程。 1.A+C- 2.A+B- 3.C+ B- 4.C+A- 5.B+A- 6. B+C- 从霍尔传感器输出 的二进制编码控制 6个功率管的导通, 可由逻辑电路实现, 也可由软件编程实 现。 1.A+B- 2.A+C- 3. B+C- 4. B+A- 5.C+ A- 6 .C+B? 每相绕组中电流是正负交替的 ? 由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流 3 2 4 电流流进 电流流出 1 5 6 ? 直流有刷电机绕组中的电流实际上也是正负交替 的 ,只是从电刷外部看电流是单方向的。 直流有刷电机通过换向机构换向,直流无刷电机 通过霍尔开关及逆变器换相。 ? 3)如何实现力矩的控制? ? ? ? ? 按照电机统一规律,必须保证θs-θr为90度,才能取得最大转矩。 因旋转磁场是60度增量,看来无法实现这个关系。 但通过适当的安排可实现平均90度的关系。 如果每一步都使离转子磁极120度的定子磁势所对应的绕组导通, 并且当转子转过60度后换相,如此重复每一步,则可使定子磁势 与转子磁势相差60-120度,平均90度。 ? 每一个定子绕组回路与DC电机 电枢回路是类似的。 ? 但其电压和电流都是在每半个电 周期中仅导通120度。 ? 电机制作时保证其绕组内反电势 为梯形波,但平顶部分与电压和 电流同时出现,其极性也与电压 和电流一致。 ? 从功率平衡的角度考虑 Tω=EaIa+EbIb+EcIc ? 又因为E=Keω,且在所有的时间 都有两相绕组流过相同电流, T=2KeIa 可见,力矩与定子绕组电流成正 比,改变电流即改变力矩。 L R ua ia e 力矩的波动 ? ? 换相转矩脉动:每次换向时,由于绕组电感的作用电流不 能突变,电流的过渡过 程 产生力矩波动。 由于转矩存在波动,限制了它在高精度的速度、位置控制 系统中的应用。 4)如何实现速度的控制? ? 改变定子绕组电压的幅值即能改变电机速 度。 L R ua ia e 3、电机特性 ? 在BLDC电机中,力矩正比于电流,速度正 比于电压,反电势正比于电机转速,因此 其控制特性与机械特性均与直流电机基本 相同。 BLDC电机的机械特性曲线 ? 在连续工作区,电机可被加载直至额定转矩Tr. ? 在电机起停阶段,需要额外的力矩克服负载惯性。这时可 使其短时工作在短时工作区,只要其不超过电机峰值力矩 Tp且在特性曲线、PWM控制技术 ? ? ? ? ? 为了使BLDC 电机速度可变,必须在绕组的两端 加可变电压。 利用PWM控制技术,通过控制PWM 信号的不同 占空比,则绕组上平均电压可以被控制,从而控 制电机转速。 在控制系统中采用DSP或单片机时,可利用器件 中的PWM产生模块产生PWM波形。 根据转速要求设定占空比,然后输出6路PWM信 号,加到6个功率管上。 以dsPIC30F2010单片机为例: 时钟信号 1#PWM发生器 计数器 (PTMR) 比较器 PWM周期寄存 器(PTPER 占空比置入 寄存器PDC1 比较器 PWM输出位控制寄存器 OVDCOND 1#死区置入 及输出寄存器 2#死区置入 及输出寄存器 3#死区置入 及输出寄存器 ) 2#PWM发生器 3#PWM发生器 输 出 驱 动 器 PWM1H PWM1L PWM2H PWM2L PWM3H PWM3L dsPIC30F2010的PWM 模块 PWM ? 当下桥臂的功率管由导通到关断时,上桥臂的功 率管延时一段时间再由关断到导通,以防止桥臂 直通。 ? 这个延时时间称为”死区”。 ? 死区可通过编程改变。 ? ? ? ? MCPWM的PWM时基模块中有一个专用的16位PTMR计数 器和一个PTPER 数字寄存器,PTMR对定时时钟计数, PTPER中置入的数字确定了PWM信号的周期。PTMR计数 器启动计数后,其计数值与PTPER中置入的数字值比较, 两者一致时,就输出一个周期的PWM信号。改变PTPER 的值,就可以方便的改变计数的周期,这样就可以改变 PWM波形的频率。 PWM 发生器#中PDC数字寄存器中置入的数字确定了 PWM信号的占空比。比较器将设定的比较值PDC*:与 PTMR计数值相比较,产生PWM波形的跳变。只要实时改 变比较器的值,就可以改变单位周期内高电平或者低电平 的脉冲宽度,产生占空比可调的PWM波形。 通过占空比比较产生的三个输出将被分别传输给死区置入 及输出寄存器,可以在高电平变低与低电平变高之间插入 一段死区。以防止输出驱动器发生意外的直通现象。 特殊函数寄存器OVDCOND中的各位 直接控制6个PWM输 出通道。当位为1时,已建立的占空比信号出现在该位所 对应的输出通道上,当位为0时,其输出被禁止。 ? OVDCOND寄存器的值由霍尔传感器输出的二进制编码绕 组通电顺序决定。 A+C- A+B- C+BC+A- B+A- B+C- 例1 由单片机控制的BLDC系统: 例2 单片三相无刷直流电动机控制器SI9979 SI9979特点 ? ? ? ? ? ? 霍尔传感器输入信号处理,60及120度间隔 选择,提供霍尔传感器电源。 自动换相功能 集成逆变器高端驱动 PWM输入及处理 电流限制,欠电压保护 20到40电源电压 例3: 由DSP控制的BLDC系统 位置、速度 给定 PWM、DIR、EN、BRAKE 光藕隔离 Si9979 电机驱动 MOSFET 三相桥 BLDCM HALL 元件 编 码 器 TMS320LF2407A DSP 转子位置反馈 转速PI调节 编码器信号的处理 位置P调节 BLDC的特点 ? ? ? ? 与DC电机比较:由于没有电刷的机械摩擦, 使其具有高可靠性、高效率、免维护、无 噪声、高速度范围、容易散热等优点。 与ASMS电机比较:控制简单,成本低。 力矩波动比DC电机及ASMS电机大。 适应于对制造成本较敏感,而对性能要求 不是特别高的场合。 思考题 1. 2. 说明BLDC的旋转磁场是如何产生的 与直流伺服电机和交流永磁伺服电机比较, 直流无刷伺服电机有什么特点?

  
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