电机控制器基础知识.ppt

部门 杭州绿天新能源科技讲师 李淑亚日期 2015 09 09QQ 645529932电话 mail tech greensky 电机控制器基础知识培训 创造价值实现共赢 经验交流知识共享互相学习携手共进 创造价值实现共赢 目录 主要内容 1 电机控制器定义2 无刷直流电机发展概况3 无刷直流电机与有刷直流电机区别4 无刷直流电机结构5 无刷直流电机基本原理分析6 无刷直流电机运行特性7 无刷直流电机控制系统8 变频器与电机控制器区别9 驱动器 控制器 编码器之间关系10 无刷电机控制器举例11 调速电机控制器举例12 电动三轮车控制器举例13 空心杯电机控制器举例 电机控制器是通过集成电路的主动工作来控制电机按照设定的方向 速度 角度 响应时间进行工作 使得电机应用范围更为广泛 输出效率更高 噪音更小等优点 1 1电机控制器定义 电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心 它主要完成以下功能 对各种输入信号进行逻辑综合 为驱动电路提供各种控制信号 产生PWM脉宽调制信号 实现电机的调速 实现短路 过流 欠压等故障保护功能 无刷电机控制器的原理无刷电机控制器的基本维修无刷电机控制器无刷电机控制器是可用于为三相无刷电机提供封闭回路的换向控制信号的控制装置 同时利用模式还可对电机速度进行控制并对电机进行必要的保护 无刷电机的控制器要比有刷电机控制器复杂得多 无刷直流电动机的发展概况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 这一渊源关系从其名称中就可以看出来 有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来 以其优良的转矩控制特性 在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位 但是 有机械接触电刷 换向器一直是电流电机的一个致命弱点 它降低了系统的可靠性 限制了其在很多场合中的使用 为了取代有刷直流电动机的机械换向装置 人们进行了长期的探索 早在1917年 Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷 从而诞生了无刷直流电机的基本思想 所谓无刷 就是利用电子器件和传感装置代替直流电动机的换向器 这使电动机减少了滑动接触 消除了换向火花 减少了对无线电的干扰 具有以下优点 调速范围广 调速性能平滑 启动迅速 噪音低 无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展 在1978年汉诺威贸易博览会上 前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电动机及其驱动器 引起了世界各国的关注 随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮 这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段 我国对无刷直流电动机的研究起步较晚 1987年 在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上 SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器 引起了国内有关学者的广泛注意 自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮 经过多年的努力 目前 国内已有无刷直流电动机的系列产品 形成了一定的生产规模 1 2无刷直流电机发展概况 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较 1 3无刷直流电机与有刷直流电机区别 下面以干手器电机为例 从几个方面来谈谈有刷电机和无刷电机的区别 1 适用范围 无刷电机的设备可以运用于 乳制品行业 酿造行业 肉制品加工行业 豆制品加工行业 饮料加工行业 糕点加工业 药品业 电子精密厂 等一些更高要求的无尘车间等 像迪奥电器产的无刷电机 DIHOUR 干手器 运用到工厂里比较多 碳刷电机 只能适用于各式洗手间等对要求不是太高的区域 而像无尘车间和防爆车间就无法使用了 2 使用寿命 无刷电机 可连续工作20000小时左右 常规的使用寿命7 10年 碳刷电机 可连续工作5000小时左右 常规的使用寿命2 3年 3 使用效果 无刷电机 以90 95m s高速运转 实际效果可达到5 7s的干手时间 碳刷电机 运转速度及干手时间要远低于无刷电机 4 节能方面 相对而言 无刷电机的耗电量只是碳刷的1 3 5 日后维修方面碳刷电机磨损后 不仅更换碳刷 还更换转齿等电机周边的附件 成本要高出很多 最主要的是 整体的功能将会受到影响 6 噪音及使用寿命碳刷电机所发出的噪音要比无刷电机的高的多 而且随着日后的碳刷磨损 有刷电机噪音会越来越大 而无刷电机就不会受影响 无刷直流电机结构 无刷直流电动机由电动机本体 位置传感器及电子换向开关电路三个基本部分组成 其中位置传感器相当于直流电动机的电刷 电子换向开关就是一个静止的换向器 1 电动机本体由一定极对数的永磁钢转子 亦称主转子 和一个多相的电枢绕组 亦称主定子 组成 电枢绕组分开启式和闭合式两种 固定在定子铁心槽内 电枢绕组有三相星形接法 四星星形接法 三相角形接法 四相闭合式接法 二相正交式接法 其绕组的端头和相应的电子开关电路连接 为了改善齿谐及减少转矩波动 电枢绕组可采用分数槽绕组 电枢铁心由硅钢片叠压而成 1 4无刷直流电机结构 2 位置传感器其作用主要是检测转子的位置 随转子位置变化依次通电 传感器转子和传感器定子组成 前者与主转子同轴旋转 后者安装在定子机壳内 它能够提供信号 并按照一定的逻辑关系去触发电子换向开关电路 位置传感器的构成及主要特点 磁敏转换式 1 构成 传感器定子 按照一定次序配置的磁敏元件 霍尔元件 磁敏二极管或三极管 2 特点 霍尔元件体积小 正反转控制方便 并能提供随转子位置做正炫变化的信号 对温度敏感 电磁转换式 1 构成 传感器定子按一定次序配置的电磁元件 开口变压器 电感器 传感器转子 导磁片 2 特点 结构可靠 输出信号大而稳定 抗震 对环境要求不高 体积较大 光电转换式 1 构成 传感器定子 按照一定次序配置的光电元件 光敏二极管 三极管 发光二极管或固态光源 传感器转子 有光栅形成的旋转光束 四状态 3 电子换向开关电路由适当数量的三极管等组成 它与相应的电刷绕组相连接 各功率元件的导通与截止 取决于位置传感器的信号 绕组型式忽然电子开关电路的配合方式 三相星形 开启式 绕组 一相导通 三相三状态 四星星形 开启式 绕组 一相导通 四相四状态 三相星形 开启式 绕组 二相导通 三相六状态三相闭合式绕组 三相导通 三相六状态 四相闭合式绕组 一相导通 四相四状态 二相正交式 开启式 绕组 一相导通 二相四状态 无刷直流电动机的基本工作原理1 无刷直流电动机转矩分析电机本体的电枢绕组为三相星型连接 位置传感器与电机转子同轴 控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号 控制动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管 使电机的各相绕组按一定的顺序工作 1 5无刷直流电机基本原理分析 如图1 1所示 当转子旋转 顺时针 到图a所示的位置时 转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器 使T1 T6导通 即A B两相绕组通电 电流从电源的正极流出 经T1流入A相绕组 再从B相绕组流出 经T6回到电源的负极 此时定转子磁场相互作用 使电机的转子顺时针转动 当转子在空间转过60电角度 到达图b所示位置时 转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器 使T1 T2导通 A C两相绕组通电 电流从电源的正极流出 经T1流入A相绕组 再从C相绕组流出 经T2回到电源负极 此时定转子磁场相互作用 使电机的转子继续顺时针转动 转子在空间每转过60电角度 逆变器开关就发生一次切换 功率开关管的导通逻辑为T1 T6 T1 T2 T3 T2 T3 T4 T5 T4 T5 T6 T1 T6 在次期间 转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用 沿顺时针方向连续旋转 转子在空间每转过60电角度 定子绕组就进行一次换流 定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变 可见 电机有6种磁状态 每一状态有两相导通 每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度 无刷直流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态 这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式 2 无刷直流电动机与输出开关管换流信号无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传感器进行检测 当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时 传感器的输出电平将发生改变 由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度 因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度 宽度为180度的电平信号 分别用A B C来表示 如图1 2所示 以信号A为例 A相位置宽度为180电导角 在0 60度 T1必须导通 故T1状态为1 而C相还剩下60度通电宽度 所以此段时间为T1和T6等于1 此时下部可供导通的管子为T4 T6和T2 而为避免桥臂直通 T4不能导通 T2的导通时间未到 故只能是T6导通 而在60度 120度 此时只有A相通电 B和C相处于非导电期 故导通的开关管为T1和T2 T1和T2等于1 其中T2是为B相导电作准备 而在120度 180度时 由于每一相只有120电导角导电时间 故此时T1关断 T1 0 T2仍然导通 B相开始进入导电期 此时可知 T1关断 T5不能开通 防止桥臂直通 则此时只能开通T3 所以T3信号此时间段为1 其他时间段的开关管导通情况与此类似 理论上 只要保证三个位置传感器在空间上互差120度 开关管的换流时刻总是可以推算出来的 然而 为了简化控制电路 每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点 r0 00 上 那么在r0 00的控制条件下 A相绕组开始通电的时刻 即该相反电势相位30度位置 恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合 此时应将T1开关管驱动导通 同理 其他开关管的导通时刻也可以按同样方法确定 本设计选用的是三相无刷永磁直流电动机 其额定电压UH 36V 电枢额定电流IaH 8 5A 电枢峰值电流IaP 15A 额定转速nH 350r min 额定功率PH 250W 图1 2无刷电动机位置检测及开关管驱动信号 表1 2无刷电动机直流通电控制方式开关切换表 无刷直流电动机的运行特性 1 6无刷直流电机运行特性 1 机械特性无刷直流电动机的机械特性为 1 1 UT 开关器件的管压降Ia 电枢电流Ce 电机的电动势常数 每级磁通量可见无刷直流电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同 机械特性较硬 在不同的供电电压驱动下 可以得到如1 3图所示机械特性曲线簇 当转矩较大 转速较低时 流过开关管和电枢绕组的电流很大 这时 管压降随着电流增大而增加较快 使在电枢绕组上的电压有所减小 因而图所示的机械特性曲线会偏离直线 向下弯曲 图1 3机械特性曲线簇 2 调节特性无刷直流电动机的调节特性如图1 4所示 图1 4调节特性 1 2 1 3 调节特性的始动电压和斜率分别为 从机械特性和调节特性可以看出 无刷直流电动机与一般直流电动机一样 具有良好的调速控制性能 可以通过调节电源电压实现无级调速 但不能通过调节励磁调速 因为永磁体的励磁磁场不可调 3 工作特性电枢电流与输出转矩的关系 效率输出转矩的关系如图1 5所示 图1 5工作特性 在输出额定转矩时 电机效率高 损耗低是无刷直流电动机的重要特点之一 1 无刷直流电动机系统的组成无刷直流电动机 BrushlessDCMotor 简称BLDCM 是一种典型的机电一体化产品 它是由电动机本体 位置检测器 逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机 位置检测器检测转子磁极的位置信号 控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号 开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件 将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组 使电动机产生持续不断的转矩 现对无刷直流电动机各部分的基本结构说明如下 1 7无刷直流电机控制系统 1 电机本体无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机 不同的是将直流电动机的定子 转子位置进行了互换 其转子为永磁结构 产生气隙磁通 定子为电枢 有多相对称绕组 原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替 所以无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机 由于无刷直流电动机的电机本体为永磁电机 所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直流电动机 定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同 铁心中嵌有多相对称绕组 绕组可以接成星形或三角形 并分别与逆变器中的各开关管相连 三相无刷直流电动机最为常见 2 逆变器目前 无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件 有些主电路已有集成的功率模块 PIC 和智能功率模块 IPM 选用这些模块可以提高系统的可靠性 无刷直流电动机定子绕组的相数可以有不同的选择 绕组的连接方式也有星形和角型之分 而逆变器又有半桥型和全桥型两种 不同的组合使电动机产生不同的性能和成本 综合以下三个指标有助于我们做出正确的选择 1 绕组利用率 与普通直流电动机不同 无刷直流电动机的绕组是断续通电的 适当地提高绕组利用率将可以使同时通电的导体数增加 使电阻下降 效率提高 从这个角度来看 三相绕组优于四相和五相绕组 2 转矩脉动 无刷直流电动机的输出转矩脉动比普通直流电动机的转矩脉动大 一般相数越多 转矩的脉动越小 采用桥式主电路比采用非桥式主电路的转矩脉动小 3 电路成本 相数越多 逆变器电路使用的开关管越多 成本越高 桥式主电路所用的开关管比半桥式多一倍 成本要高 多相电动机的逆变器结构复杂 成本也高 因此 目前以星形连接三相桥式主电路应用最多 3 位置检测器位置检测器的作用是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号 为逆变器提供正确的换相信息 位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式 转子位置传感器也由定子和转子两部分组成 其转子与电机本体同轴 以跟踪电机本体转子磁极的位置 其定子固定在电机本体定子或端盖上 以检测和输出转子位置信号 转子位置传感器的种类包括磁敏式 电磁式 光电式 接近开关式 正余弦旋转变压器式以及编码器等 在无刷直流电动机系统中安装机械式位置传感器解决了电机转子位置的检测问题 但是位置传感器的存在增加了系统的成本和体积 降低了系统可靠性 限制了无刷直流电动机的应用范围 对电机的制造工艺也带来了不利的影响 因此 国内外对无刷直流电动机的无位置运行方式给予高度重视 无机械式位置传感器转子位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的物理量间接地获得转子位置信息 主要有反电动势检测法 续流二极管工作状态检测法 定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等 4 控制器控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心 它主要完成以下功能 1 对转子位置检测器输出的信号 PWM调制信号 正反转和停车信号进行逻辑综合 为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号 实现电机的正反转及停车控制 2 产生PWM调制信号 使电机的电压随给定速度信号而自动变化 实现电机开环调速 3 对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节 使系统具有较好的动态和静态性能 4 实现短路 过流 过电压和欠电压等故障保护电路 无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简单无需维护的优点 因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用 在电机转速控制方面 绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统 目前 数字调速系统主要采用两种控制方案 一种采用专用集成电路 这种方案可以降低设备投资 提高装置的可靠性 但不够灵活 另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统 这种方案可以编程控制 应用范围广 且灵活方便 电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心 它主要完成以下功能 对各种输入信号进行逻辑综合 为驱动电路提供各种控制信号 产生PWM脉宽调制信号 实现电机的调速 实现短路 过流 欠压等故障保护功能 近几年 国外一些大公司纷纷推出较MCU性能更加优越的DSP 数字信号处理器 芯片电机控制器 如ADI公司的ADMC3xx系列 TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列 都是由一个以DSP为基础的内核 配以电机控制所需的外围功能电路 集成在单一芯片内 使体积缩小 结构紧凑 使用便捷 可靠性提高 但是这些专用芯片价格昂贵 外围电路设计复杂 在广大的民用市场无法大规模推广应用 无刷电机控制方法主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种 在有位置传感器的控制方法中 现今 由于霍尔传感器性价比高 安装方便 被广泛应用作为无刷直流电机的位置传感器 当前 国内外对无刷直流电机无位置传感器的控制方法主要有反电势法 定子三次谐波法 续流二极管检测法 脉冲检测法神经网络控制法等 有霍尔控制器与无霍尔控制器区别 1 有霍尔型是通过电机的的霍尔型号来判断当前电机运动的状态 然后控制器根据霍尔所采集的信号再控制控制器的三相输出来给电机供电 让电机持续正常的工作 无霍尔无刷控制器的是电机无霍尔传感器 控制器通过电流采集来判断电机当前的运动状态 然后控制控制器输出来给电机供电 让电机正常工作 2 有霍尔型电机和控制器在使用时稳定 启动时扭矩大 无异响 无霍尔型电机和控制器在使用时因技术问题 目前还不是很稳定 特别是在起步阶段 稳定性差 动力不够 无霍尔的电机在起步加速时候工作频繁 因为没有传感器 无法对转子测速 所以起步加速控制效果不如有霍尔的 3 有霍尔的控制器电机线输出有八根 三根相线 五根霍尔线 无霍尔的控制器输出的电机线只有三根相线 没有霍尔线 4 对于以维修为主的人员来说无霍尔方便快捷 对于顾客来说还是普通无刷控制器 使用效果好 电机坏掉的情况下 如果急用 或者维修难度高 顾客同意 才可以使用无霍尔控制器的 一般情况下 都是使用无刷控制的 无刷直流电动机控制系统框图 如图2 1所示 图2 1电动机驱动控制框图 2 无刷直流电动机控制系统组成 1 微控制器主要功能是根据电动机旋转方向的要求和来自霍尔转子位置传感器的三个输出信号 将它们处理成功率驱动单元的六个功率开关器件所要求的驱动顺序 微控制器的另一个重要作用是根据电压 电流和转速等反馈模拟信号 以及随机发出的制动信号 经过AD变换和必要的运算后 借助内置的时钟信号产生一个带有上述各种信息的脉宽调制信号 2 功率驱动单元主要包括功率开关器件组成的三相全桥逆变电路和自举电路 自举电路由分立器件构成的 也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路 3 位置传感器位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用 为逻辑开关电路提供正确的换相信息 4 周边辅助 保护电路主要有电流采样电路 电压比较电路 过电流保护电路 调速信号和制动信号等输入电路 3 控制方法 1 正反转其不能采用改变电源极性的方法来改变转向 只能用改变定子绕组磁势和转子磁场的相对关系来改变旋转方向 控制方法是用在相位上有互差180度的驱动信号 去控制相应的绕组导通 从而实现正反转 这两个信号可以通过两套在空间错开180电角度的位置传感器定子获得 也可用电子线路进行一定的逻辑处理 得一个正转信号和一个反转信号 从而控制电动机的正反转 2 调速可通过改变电压的大小来实现 常用的方法有 PAM 每相导通时间不变 改变每相导通时加在线圈上的电压幅度的大小来实现调速 PWM 电压大小幅度不变 改变每相导通时间的长短来实现调速 直流电机调速一般采用脉冲宽度调制 即供电电压是宽度可调的脉冲电压 当脉冲最宽时 相当于直流电 功率最大 转速最高 脉冲宽度减小时 相当于直流电电压降低 功率及转速降低 无刷电机没有电刷磨损 维护相对简单 较有刷可靠 但需加装驱动 换向 电路 一次性投资较大 脉宽调制 PWM 是调整脉冲的宽度而不是频率 脉冲宽了 指的是高电平时间长了 低电平时间短了 脉冲频率并没有变 脉宽调制并不是直接调整电机的速度 而是改变电机的功率或扭矩 扭矩大了 换向加快 转速就提高了 无刷电机pwm调速频率是多少 频率一般在500 1000以内都是正常的 图像为正弦函数图像 脉宽调制原理如下图所示 PWM调速适用于所有类型的电机吗 PWM调速对步进电机 伺服电机 普通电机都适用 步进电机是伺服电机的一种 除非你特指交流伺服电机 PWM不适合步进电机 因为它是用节拍控制的PWM可以用于控制直流电机 直流无刷电机 异步电机 以及各类同步电机普通电机是什么意思 是指异步电机或鼠笼电机吗 如果是的话 pwm是可以用的 但是不建议用 异步电机也有伺服电机 只不过普通的异步电机在设计时没有考虑变频 所以转速改变时铁损会比较大 发热严重一些 不过只要不长期低速运行 也可以用一下 变频 调速 器和电机控制器的区别 1 控制电机起动 运行 停止 调速 变速等控制设备都可以叫做电机控制器 变频器只是电机控制器其中的一种 2 伺服电机是由电压控制转速 控制器控制的是电压 交流马达是由频率控制转速 变频器控制的是频率 3 变频器主要用于交流电机调速 电机控制器主要用于电机控制 及特种电机的控制和调速 交流变直流的电路简单 但机械特性差别较大 结构差别也较大 1 8变频器与电机控制器区别 交流电机调速方式 额定转速n 60f p 1 s 同步转速N1 1 S f电源频率p电机极对数s转差率1 利用变频器改变电源频率调速 调速范围大 稳定性平滑性较好 机械特性较硬 就是加上额定负载转速下降得少 属于无级调速 适用于大部分三相鼠笼异步电动机 2 改变磁极对数调速 属于有级调速 调速平滑度差 一般用于金属切削机床 需电机本身具备条件 例 双极双速电机 3 改变转差率调速 1 转子回路串电阻 用于交流绕线式异步电动机 调速范围小 电阻要消耗功率 电机效率低 一般用于起重机 2 改变电源电压调速 调速范围小 转矩随电压降大幅度下降 三相电机一般不用 用于单相电机调速 如风扇 3 串级调速 实质就是就是转子引入附加电动势 改变它大小来调速 也只用于绕线电动机 但效率得到提高 4 电磁调速 只用于滑差电机 通过改变励磁线圈的电流无极平滑调速 机构简单 但控制功率较小 不宜长期低速运行 4 滑差调速器 这种方式其实不是改变电机转速 而是改变和是电机轴相连的滑差离合器的离合度 改变离合器输出轴的转速来调速的 为什么无刷直流电机调速都用电压调速 而不能用调频调速呢 所谓变频 顾名思义 就是改变频率的意思 交流电是指大小和方向都作周期性变化的电压或电流 周期的倒数就是频率 直流电没有频率的概念 若要算直流电的频率 按照交流电频率的定义 可以将直流电的频率理解为无穷小或0Hz 频率只对交流电有意义 变频当然也就只能针对交流电了 直流电机只能采用直流电供电 不能使用交流电供电 更谈不上变频 无刷直流电机依然是三相绕组 只是直流电通过逆变电路变成三相交流电供给电机本体 所以为什么不能调频呢 你所说逆变器是外部驱动器 不属于电机的一部分 这样的电机就不是直流电机 而是交流电机 交流电机可以采用变频调速 改变逆变器输出交流电频率即可调速 改变电压是不能调速的 电机驱动器和控制器 编码器之间的关系 1 普通电机驱动主要是控制转速和正反转 步进电机控制速度 方向 角度或者移动距离等等 2 驱动器是一个接受脉冲个数和旋转方向驱动步进电机动作的功率放大系统 3 控制器接受编码指令 人机对话 和把指令变化成具体脉冲个数传输给驱动器的中枢性器件 4 编码器