永磁无刷电动机及系统设计ppt课件

无刷电机驱动设计 西安微电机研究所白新力电话 029 8427668313279361765电子信箱 BXL1963 163 COM 概论 伺服电动机控制系统即伺服系统 伺服控制技术 是自动化学科中与产业部门联系最紧密 服务最广泛的一个分支 自从第二次世界大战期间雷达和火炮伺服系统出现以来 在近半个世纪中 伺服控制技术及其系统在工业 农业 国防等各个领域都得到了广泛的应用 伺服控制经历了发电机 电动机系统 交磁电机扩大机控制 晶闸管控制 集成电路控制 计算机控制的发展过程 至今已经进入一个全新的鼎盛时期 反映这一时期的现代伺服控制技术及其系统的主要特征 可以概括为 全控型电力电子器件组成的脉冲宽度调制 PWM 技术在伺服功率驱动中的广泛应用 微处理机特别是数字信号微处理器 DSP 在伺服系统中的普遍应用 使得现代控制理论逐渐工程实用化 各种伺服控制元件与线路向着集成化 数字化 功能化 模块化 智能化 以便于计算机控制的方向发展 伺服控制系统的可靠性设计及其诊断技术伴随着系统功能 性能及其复杂化程度的升级而受到人们的普遍重视 永磁无刷电动机系统 永磁无刷电动机 BLDCM 采用半导体功率开关器件 晶体管 MOSFET IGBT IPM 用霍尔元件 光敏元件等作位置传感器代替有刷直流电机的换向器和电刷部分 以电子换相代替机械换向 从而提高了可靠性 它的外特性和一台有刷直流电动机相似 BLDCM具有普通直流电动机相似的线性机械特性和线性转矩 电流特性 其优点已为人们普遍认识 故应用越来越广泛 永磁无刷电动机由电机和驱动器两部分组成 电机部分的结构是定子上有多相绕组 转子上镶有永久磁铁 因此 永磁无刷电动机可看成是由专门的电子逆变器驱动的有位置传感器反馈控制的交流同步电动机 永磁无刷电动机的电枢绕组同交流电机的绕组一样 采用多相型式 经由驱动器接到直流电源上 定子采用位置传感器实现电子换向 各相依次通电 产生电流 电流和转子磁极的主磁场相互作用 产生转矩 永磁无刷电动机的控制模式分为两大类 方波驱动正弦波驱动方波驱动时 其驱动电流为近似矩形波正弦波驱动时 其驱动电流为正弦波 方波驱动永磁无刷电动机工作原理 以两相导通星形三相六状态运行说明方波驱动永磁无刷电动机的工作原理 图所示为两极方波驱动三相永磁无刷电动机系统 定子电枢绕组为三相星形联结 位置传感器与电动机同轴连接 控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动信号 控制逆变器的功率开关管 使电动机的各相绕组按一定的顺序工作 转子在空间每转过60度电角度 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 电机有六种磁状态 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度电角度 把永磁无刷电动机的这种工作方式称为两相导通星形三相六状态运行 这是三相方波运行永磁无刷电动机最常用的一种工作方式 观察课件 正弦波驱动无刷电动机的工作原理 正弦波驱动要求电动机安装高分辨率位置反馈装置 能提供高分辨率和高精度的位置信息 以该位置信息能较精确接近产生正弦波 以强制提供正弦波相电流为特征的电子换相方法 三相绕组正弦波电流产生连续旋转磁场 与转子磁场作用 使电动机转子旋转 观察课件 第四节 通过矢量和相位控制 使电动机的反电势和电流相位相同 A B C三相绕组的反电动势和相电流可以表示如下 ea eb ec为相反电动势 ia ib ic为相电流 E为相反电动势有效值 I为相电流有效值 为转子转过的角度 电气角 输出电磁转矩Te为 电动机的电磁功率可表示为 对一台制造好的电动机 E 为定值 上式表明 正弦波驱动的无刷电动机具有线性的转矩 电流特性 而且瞬态电磁转矩Te与转角 无关 理论上转矩波动为零 正弦波驱动是一种高性能的控制方式 电流是连续的 理论上可获得与转角无关的恒定输出转矩 实际上可以做到3 以下的转矩波动 有良好的低速平稳性 同时也大大改善了在中 高速大转矩时的特性 但它对电动机设计 转子位置传感器提出了更高要求 驱动器电路更加复杂 成本更高 1无刷电机驱动作用及组成 在自动控制系统中 把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统 亦称伺服系统 伺服系统的作用在于接受来自上位控制装置的指令信号 驱动被控对象跟随指令运动 并保证动作的快速和准确 这就要求高质量的速度和位置伺服 一般较复杂自动控制系统的精度和速度等技术指标往往取决于其中所使用的伺服电动机控制系统 系统组成方框图 开环运行方框图 转矩控制系统方框图 速度控制系统方框图 位置控制系统方框图 完整的控制系统方框图 伺服电动机 主要由转子和定子两大部分组成 在转子上装有特殊形状的永磁体 用以产生恒定磁场 转子上的永磁材料可以用铁氧体或稀土永磁材料 高性能而价格适宜的永磁材料 为提高电动机的伺服性能和实用化提供了条件 由于转子上没有励磁绕组 由永磁体产生磁场 因而不需要引入励磁电流 电动机内部的发热只取决于电枢电流 在电动机的定子铁心上绕有三相电枢绕组 接在伺服驱动器上 在结构上 定子铁心直接裸露于外界空间 因此散热情况良好 也使电动机易于实现小型化和轻量化 传感器 位置传感器 速度传感器和电流传感器 在永磁无刷电动机中还包括转子位置传感器 其作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位置 为驱动器提供正确的换相信息 位置传感器 速度传感器 转子位置传感器常采用接近开关 光电编码器 正余弦旋转变压器 霍尔元件 磁 电变换元件等 无位置传感器检测是通过检测和计算与转子位置有关的物理量而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和瞬时电压方程法等 一般采用霍尔元件检测转子位置的为最多 而正弦波驱动时则采用正余弦旋转变压器 光电编码器等高精度位置传感器 实际上 这些功能可用一个光电编码器或旋转变压器来完成 至少一个检测器需要完成两种功能 多种功能用一个传感器来实现 可以减小电动机的轴向尺寸 并能简化控制和安装 电流传感器常采用电阻片 霍尔传感器等 其主要作用是检测伺服电动机绕组的电流 进行电流有效控制 驱动器 接受控制指令 可实现对电动机的转矩 速度 转子位置控制 主要包括控制和功率变换 主电路 两大部分 控制部分主要由三闭环控制器即电流控制器 速度控制器和位置控制器以及与其相应的基准信号产生 反馈信号的检测 处理电路等组成 位置控制是外环 速度控制是中环 转矩或电流控制是内环 一般情况下 速度控制器为PI 比例 积分 控制规律 它的输出为电流指令 直流量 速度控制器的作用主要是为了能进行稳定的速度控制 以使其在定位时不产生振荡 在伺服系统中 为了进行位置控制 要求速度环能有快速响应速度指令的能力 并且在稳态时具有良好特性硬度 对各种扰动具有良好的抑制能力作用 电流控制器作为速度环的内环 在输入端综合电流指令信号和反馈信号 使电枢绕组中的电流在幅值和相位上都得到有效控制 完成与磁通矢量的正交或弱磁高速控制 电流控制器通常也采用PI控制规律 要求它具有更高的快速性 以适应对电流瞬时值跟踪控制的要求 功率变换 主要由整流 器 和逆变 器 两部分组成 整流器将输入的三相交流电整流成直流电 经过电容器滤波平滑后提供给逆变器作为它的直流输入电压 逆变器 电路 的作用是在脉冲宽度调制 PWM 控制信号的驱动下 将输入的直流电变换成可调的直流或交流电 输入到伺服电动机的电枢绕组中 即是PWM生成电路以一定的频率产生出触发功率逆变器的控制信号 使功率逆变器的输出电压可调或输出频率和电压保持协调关系 并使流入电枢绕组中的电流保持恒定或交流电流保持良好的正弦性 在伺服系统中 对应于不同的伺服电动机虽然其工作原理有所不同 但驱动器的基本结构和控制方法以及相关外围电路和配置基本相同 基本要求 1 稳定性好稳定性是指作用在系统上的扰动消失后 系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下 系统能够达到新的稳定运行状态的能力 2 精度高精度是伺服系统的一项重要的性能要求 它是指其输出量复现输入指令信号的精确程度3 快速响应性好快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项重要指标 快速响应性有两方面含义 一是指动态响应过程中 输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度 二是指动态响应过程结束的迅速程度 2功率变换 逆变技术 与整流相对应 把直流电变成交流电称为逆变 逆变主要分为电压型和电流型 两种类型的区别在于直流环节采用怎样的滤波 前者采用大电容滤波 后者采用大电感滤波 在伺服系统中 常采用电压型逆变器电路 其大多由全控型电力电子器件 功率开关管 组成 以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 逆变电路的基本工作原理 S1 S4是桥式电路的4个臂 由电力电子器件及辅助电路组成 S1 S4闭合 S2 S3断开时 负载电压uo为正 S1 S4断开 S2 S3闭合时 负载电压uo为负 改变两组开关切换频率 可改变输出交流电频率 改变两组开关切换时间长短 PWM 可改变输出交流电流大小和方向 电阻负载时 负载电流io和uo的波形相同 相位也相同 阻感负载时 io相位滞后于uo 波形也不同 换相 电流从一个支路向另一个支路转移的过程 开通 适当的门极驱动信号就可使器件开通 关断 全控型器件可通过门极关断 在采用IGBT 电力MOSFET GTO GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流 PWM控制技术 PWM PulseWidthModulation 控制就是脉宽调制技术 即通过对一系列脉冲的宽度进行调制 来等效的获得所需要的波形 含形状和幅值 1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想 把通讯系统中的调制技术应用于交流变频器 全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易 PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用 才确定了它在电力电子技术中的重要地位 现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术 在电力电子领域有着广泛的应用 并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术 IGBT 电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善 给PWM控制技术提供了强大的物质基础 PWM控制的基本思想 1 重要理论基础 面积等效原理 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时 其效果基本相同 b 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形 面积等效原理 a u t 电压窄脉冲 是电路的输入 i t 输出电流 是电路的响应 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 若要改变等效输出正弦波幅值 按同一比例改变各脉冲宽度即可 SPWM波 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 对于正弦波的负半周 采取同样的方法 得到PWM波形 因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为 根据面积等效原理 正弦波还可等效为下图中的PWM波 而且这种方式在实际应用中更为广泛 SPWM控制波的生成 正弦波 三角波调制 方波 三角波调制 在电压比较器的两个输入端分别输入正弦波参考电压和三角波电压 由于分别接至电压比较器的 和 输入端 显然当 时 输出为低电平 与交点之间的距离决定了电压比较器输出电压脉冲的宽度 因而可得到幅值相等而脉冲宽度不等的SPWM波 调制方法很多 目前用得最多的是正弦脉宽调制 还有空间电压矢量PWM 最优PWM 预测PWM 随机PWM 规则采样数字化PWM等等 SPWM交 直 交变压变频器的原理框图如下 UR 整流器固定电压不可控整流器 常采用六个二级管桥式整流器结构将交流变为直流 电压幅值不变 为逆变器的供电 UI 逆变器由六个功率开关器件组成 常采用大功率晶体管 其控制极 大功率晶体管GTR为基极 输入由基准正弦波 由速度指令转化过来的 和三角波叠加出来的SPWM调制波 等幅 不等宽的矩形脉冲波 使这些大功率晶体管按一定规律导通 截止 输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅 不等宽的矩形脉冲电压波 即功率级SPWM电压 使电机转动 功率开关器件还可采用 功率场效应晶体管MOSFET 绝缘门极晶体管IGBT等 为使伺服电动机具有伺服的性能 就是利用逆变技术 使伺服电动机绕组产生所需要的具有一定幅值和相位的电流波形 从而达到线性控制转矩的作用 在永磁无刷电动机中 采用三相全桥逆变电路 三相全桥逆变电路 三相逆变器基本工作原理 如果不变 而仅仅改变 由图可知 逆变器输出的三相交流电的频率也相应随之改变 如果仅改变三相正弦指令信号的幅值 输出的基波幅值也随之改变 逆变器的这种工作原理称之为正弦脉冲宽度调制 SPWM 工作原理 1 如果改变三相正弦指令信号的相序 输出三相交流电压或电流的相序也随之改变 因此 很容易改变伺服电动机的转向 2 可采用电压控制方式 也可以采用电流控制方式 SPWM工作原理的主要特征 要有一个三角波发生器和一个快速电压比较器 由于数字信号微处理器 DSP 技术的发展 无论是三角波发生器还是电压比较器 均易通过软件来实现 因而也出现各种数字控制方法 DSP内部集成了PWM发生器 可方便的应用于各种伺服电动机控制系统中 基于对电动机磁链跟踪控制原理出现的 电压空间矢量SVPWM 方法 对逆变器的控制而言亦完全不同于SPWM的概念 这种方法是从电动机的角度出发 其目的使电动机产生圆形磁场 被应用于正弦波永磁无刷电动机中 采用SPWM工作原理来控制逆变器的6个功率管开关 具有以下特点 1 最低次谐波频率高 因而仅靠电动机的绕组本身的电感 就足以使电流成为相当光滑的正弦波 适当提高载波频率 可以起到减少电流脉动的效果 从而提高了运行的平稳性 2 基波分量幅值与调制系数成正比关系 所以 调节代表指令信号的正弦波幅值即可调节基波幅值的大小 3 逆变器本身的损耗小 它包括功率管饱和导通损耗和开关损耗 功率管饱和压降所产生的功率损耗与工作频率无关 而开关损耗则与工作频率近似成比例 逆变器的工作频率 逆变器的开关工作频率不宜过高 当伺服电动机一旦确定后 开关工作频率也不宜过低 负则会引起过流 无法正常起动 当逆变器的功率开关器件确定后 开关器件的最高工作频率 为允许的损耗所限制 但从限制电流或转矩的脉动来看 开关工作频率越高越好 实际上 开关工作频率过高 电流或转矩的脉动虽可减少 但可能达不到要求的电流幅值 因此 最高开关工作频率只要能满足要求的电流脉动即可 一般情况 如果逆变器使用双极型功率晶体管 三角波频率可在1kHZ 3kHZ 如使用P MOSFET 则选择5kHZ 20kHZ 如使用IGBT则选择20kHZ以上 为解决噪声可使IGBT开关频率在10kHZ 20kHZ 泵升电压和死区 滤波电容器用做滤波外 还有当电动机制动时吸收运行系统动能的作用 由于直流电源靠二极管整流器供电 不可能回馈电能 电动机制动时只好对滤波电容充电 这将使电容两端电压升高 称作 泵升 生 电压 储能的增加量基本上等于运动系统在制动时释放的全部动能 应按制动储能要求选择电容容量 电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压 因此电容量就不可能很小 一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法 在大电容量或负载有较大惯量的系统中 不可能只靠电容器来限制泵升电压 这时 可以采用制动电阻来消耗掉部分动能 电阻的分流电路靠开关器件在泵升电压达到允许数值时接通 在伺服系统中 逆变器中的功率开关器件并不是理想的开关 存在导通的延时和关断的延时 为了保证逆变电路的安全工作 必须在同一相上 下两个桥臂开关器件的通断信号之间设置一段死区时间 或称时滞 即在上 下 桥臂器件得到关断信号后 要留出一定时间以后才允许给下 上 桥臂器件送入导通信号 以防止其中一个器件尚未完全关断时 另一个器件已经导通 而导致上 下两桥臂器件同时导通 产生逆变器直流侧被短路的事故 死区时间的长短因开关器件而异 一般对功率开关器件IGBT及IPM为2 5 s 死区时间的存在显然会使逆变器不能完全精确地复现PWM控制信号的理想波形 或产生更多的谐波 或使电流 磁链跟踪性能变差 总之 会影响伺服系统的运行性能 改善死区的影响是采取对死区的补偿 智能功率模块 不同于一般功率模块 这种新型电力电子器件不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起 而且还内藏有多种故障检测电路 并可将检测信号送到DSP作中断处理 它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路及快速保护电路构成 即使发生负载事故或使用不当 也可以使IPM自身不受损坏 IPM一般使用IGBT作为功率开关元件 并内藏电流传感器及驱动电路的集成结构 以其高可靠性 使用方便 尤其适合于驱动器主电路的一种非常理想的电力电子器件 使用时只需用少量连线 提供控制部分的电源 输入相应开关量控制信号即可 提高了系统抗干扰能力和可靠性 IPM已被广泛用于伺服系统中 3控制技术 数字信号微处理器将实时处理能力和控制器外设集于一身的电机控制专用高性能数字信号微处理器 DSP 其强大的数据处理能力使得现代控制理论 模糊控制理论和神经网络理论等一些复杂算法数字化得以实现 控制策略得到优化 而且面向电机控制的片内外设 使控制系统硬件结构得到简化 整个系统的性能得到显著提高 其单周期乘 加运算能力 可以优化与缩短反馈回路 从而有助于实现数字式电流闭环控制 直接产生高精度的PWM输出 抑制转矩纹波 减小电机振动 延长电机寿命 相对传统单片机而言 DSP控制器可以提供更快 更精确的控制 TMS320LF2407A DSP 是这一系列中的典型芯片 基于DSP的全数字伺服系统 充分利用其丰富的周边接口 使系统的结构大为简化 具有良好的动 静态性能 且在外界参数大范围变化的情况下表现出很强的鲁棒性 电流反馈及控制器 电流反馈及处理在伺服系统控制中 离不开电机绕组电流的测量 此反馈信号对电动机的运行特性有着重要的影响 常用的电流测量方法有电阻片 霍尔传感器等 虽然电阻片能实现交直流及任意信号波形的测量 但由于测量反馈电路与主电路没有隔离及受温度变化阻值改变的影响 一般用于低压及精度要求不高的场合 在伺服系统中 最好采用霍尔电流传感器 它是采用磁场平衡原理测量电流的 一次被测电流多采用穿线式 将被测电机绕组线电流的导线由传感器模块中间的孔穿过 单匝或多匝 即可得到测量电流 其值额定值一般为100mA 通过采样电阻 可将电流转化为电压信号 当被测电流小时 可以通过增加一次穿线匝数提高测量精度 但同时需要注意 一次匝数增多后会降低响应速度 当一次接线由单匝增至两匝后 响应速度则由0 1 s增至1 s 此外 一次穿线与模块耦合不紧也会降低响应速度 全数字伺服系统电流反馈测量电路 采用变比为1 1000霍尔元件检测主电路电流信号 在DSP中 由于A D输入信号范围为0V 3 3V 因此必须将霍尔元件输出的小电流信号首先变换为电压信号 再经放大滤波后进人A D通道进行模数转换 把其数字量适当定标 并叠加偏移量后 得到合适的数字信号 在A D转换结束的时候 向CPU发中断请求 CPU对该数字信号进行处理 如果每隔50 s DSP控制器对反馈电流进行采样 则可实现频率为20kHz的电流环调节 电流控制器 对电流的调节控制就是对转矩的调节控制 采用霍尔电流传感器对电枢电流进行无接触检测 测得的电流值作为反馈信号与电流的指令信号进行比较而得电流误差 由电流调节器按电流误差进行调节控制 使电流快速地跟随指令值变化 稳态时电流无静差 速度反馈及控制器 速度反馈及处理光电编码器 速度反馈常用的方法有M法 T法和M T法 M法是在设定的采样周期内记录反馈脉冲的个数 反馈脉冲数与电动机的转速成正比 此方法使用方便 T法是另外施加一高频脉冲 并通过记录光电编码器反馈脉冲在其一个周期内所测得的高频脉冲个数来测量电动机转速 在DSP中 正交编码脉冲输入单元 QEP 能对脉冲前后沿进行4倍频 而无需添加任何硬件 并可根据两路脉冲的次序判别电动机转向 简化了系统的硬件 速度控制器 在速度环中 速度指令信号与由测速元件取得的速度反馈信号进行比较而得速度误差值 由速度调节器按速度误差进行调节控制 其输出作为电流控制器的输入信号 使电动机转速快速跟随指令值变化 稳态时速度无静差 动态时限制转速超调 同时 由于转速负反馈的作用 会大大减小负载变化对转速变化的影响 速度调节器一般也采用带饱和限幅的PI调节器 位置反馈及控制器 位置反馈及处理在伺服系统中 一般位置反馈信号从安装于伺服电动机端部的位置传感器获得 为了使系统具有高精度位置控制性能 位置检测元件本身必须是高精度的 通常此类传感器一般有光电编码器 旋转变压器等 在DSP中 位置反馈的实现具有与速度的反馈相同的QEP单元 对光电编码器进行四倍频和正反向自动计数 该数值在规定的字节长度内 与电动机的转角位置一一对应 同时 光电编码器还输出U V和W三路脉冲信号 这三路信号彼此相差120度 且一转内的周期数与电动机的极对数一致 此信号主要用来检测永磁无刷电动机上电时转子磁极的初始位置 一旦初始位置确定 A B信号计数指明转子磁极的细节位置 旋转变压器本身具有结构坚固耐用 抗冲击 可通过控制电路较容易改变分辨率等特点 常用在军事等领域 旋转变压器本身输出的位置信息是连续变化的模拟量 必须经过高频数字化处理后才能与DSP接口 其信号处理电路比较复杂 通常采用一种称为R D转换器的电路进行数字量转化 供系统使用 系统也必须同时向旋变提供一路定子线圈的励磁信号 但是R D输出分辨率与跟踪速度成反比 电机在最高转速下的运行必然带来R D输出分辨率下降 灵敏度降低 伺服电机的转速一般都比较高 有的甚至在20000转 分以上 这就必需通过电路设计与参数的合理匹配来满足采样信号灵敏度与稳定性的协调一致 以达到位置信号跟踪的要求 位置控制器 按照位置控制的要求 位置反馈信号必须跟随位置指令信号的变化而变化 位置控制器按设定的采样周期不断地将数字位置指令值与位置反馈值进行比较 求出位置偏差值 再根据位置环的控制规律进行调节 使其在最短时间内达到零 位置控制器保证系统对位置指令信号的快速跟踪 实现系统的无振荡 无超调的精确定位 位置控制器常采用比例加前馈控制器 位置控制构成大体有两类 一类是模拟位置控制 它的位置控制精度不是很高 另一类是最常用的数字位置控制 转子位置传感器 无刷电动机系统中常用的位置传感器不但要完成电机转子磁极位置的检测 同时要实现速度测量与转子转角检测 但目前并不是所有的位置传感器都能同时完成这些功能的 有的检测元件只能完成其中的一 二种 各种位置传感器都有自身的固有特点 要针对具体控制对象要求 选择合适的位置传感器 目前 系统常用的位置传感器有光电式 电磁式等 光电编码器 光电编码器的特点是数据处理电路简单 因为是数字信号 所以噪声容限较大 容易实现高分辨率 检测精度高 其缺点是不耐冲击及振动 容易受温度变化影响 适应环境能力较差 光电编码器广泛用于各类伺服电动机的速度和位置检测 磁编码器 随着磁性材料和磁阻元件的发展 已开发出各种类型的磁性编码器 有电磁解调型 霍尔元件型 半导体磁阻效应型 强磁体磁阻效应型等 磁性编码器在数控机床主轴拖动中已经得到了应用 取得了与光电编码器相同的性能 并且在电气接线上具有良好的互换性 磁性编码器与光电编码器相比较 突出的优点是 适应环境能力强 耐高温 耐油污 功耗低 传感器结构简单 成本低 坚固耐用 响应速度快 非常适用于高速旋转运动场合使用 缺点是制成高分辨率有一定的困难 霍尔集成电路 霍尔元件是一种利用霍尔效应原理制成的半导体器件 分立霍尔元件输出的电动势信号较低 使用时需要较多的外围电路 霍尔集成电路是将有关外围电路和霍尔元件集成在一起 组成一个有源的磁敏集成电路 通常将霍尔元件 放大器 温度补偿电路 输出级 电源稳压电路等制作在同一硅片上 然后用陶瓷或塑料封装 按输出的不同 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类 霍尔集成电路在使用中必须有外加磁场 并且对磁场的磁密最低值和形状都有一定的限制 线性型霍尔集成电路的输出电压与外磁场强度呈线性关系 线性霍尔集成电路内部包括霍尔发生器 差分线性放大 射极跟随输出及稳压电源电路 开关型霍尔集成电路是将电压稳压器 霍尔电压发生器 温度补偿电路 信号发生器和集电极开路输出极制作在一个硅片上 在奥地利 奥地利微电子公司 利用线性霍尔制造出专用集成电路AS5040 是最小的10位多输出旋转磁性编码器IC 旋转变压器 旋转变压器的特点是结构坚固 耐用 抗振动冲击能力强 可在高温下工作 具有很强的环境适应能力 可通过控制电路较容易改变分辨率 缺点是信号处理电路复杂 可以作为磁极位置 电动机速度和系统位置检测用 下图为磁阻旋转变压器 转子由硅钢片叠成 硅钢片的外形轮廓视旋变极数而定 图中旋变为1对极 其等效电路图如上图所示 旋变转子外形似椭圆状 定子上开有齿槽 一相初极励磁线圈和两相次极输出线圈都绕在齿槽内 转子旋转改变和定子之间气隙厚度 从而改变初和次极绕组间的耦合系数 使得在初极输入交流励磁电压的情况下 输出电压的幅度和转子转过的角度成比例 用数学表达式可以表示成 次极Sin相输出 次极Cos相输出 ER1 R2为初极励磁电压 为转子转过的角度 其中 E0为励磁电压幅值 旋变解码时将Sin相乘以cos Cos相乘以sin 两相相减 得如下等式 可以用 逐次逼近 值 使得Vsr 0 此时 那么即可解码出转子转角 多摩川的解码芯片AU6802N1系列和美国AD2S83系列 就是利用这一原理设计的 无位置传感器控制 近年来推出了几种永磁无刷电动机的无位置传感器控制方法 如反电动势检测法 续流二极管工作状态检测法 瞬时电压方程法等 利用反电动势检测转子位置是目前最常见和应用最广泛的一种方法 对于最常见的两相导通星形三相六状态工作方式 除了换相的瞬间之外 在任意时刻 电机总有一相绕组处于断电状态 当断电相绕组的反电动势过零点之后 再经过30度电角度 就是该相的换相点 因此 只要检测到各相绕组反电动势的过零点 就可确定电机的转子位置和下次换流的时间 反电动势法的缺陷是当电机在静止或低速运行时 反电动势为零或太小 因而无法利用 一般采用专门的起动电路 使电机以他控变频方式起动 当电机具有一定的初速度和电动势后 再切换到自控变频状态 这个过程称为三段式起动 包括转子定位 加速和运行状态切换三个阶段 数字PI控制器 模拟PI调节器 离散化PI调节器 改进的数字PI算法 积分分离法 分段PI算法 在双闭环调速系统中 电流调节器功能之一是克服反电动势的扰动 在速度变化过程中 必须依靠积分作用抑制反电动势 使电枢电流快速跟随给定值 以保证最大的起动和制动电流 因此 在转速偏差大时 电流调节器应选用较大的Kp和KI参数 使实际电流能迅速跟随给定值 在转速偏差较小时 过大的Kp和KI又将导致输出电流的振荡 增加速度控制器的负担 严重时还将导致转速的振荡 分段PI算法可以解决动态跟随和稳定性的矛盾 分段PI算法有两套或多套PI参数 可根据偏差的大小 在多套参数间进行切换 数字滤波技术 全数字闭环控制系统中 测量值是通过对系统的输出量进行采样而得到的 它与给定值之差形成偏差信号 所以 测量值是决定偏差大小的重要数据 测量值如果不能真实地反映系统的输出 控制系统就失去它的作用 在实际中 对电动机输出的测量值常混有干扰噪声 用混有干扰的测量值作为反馈信号 将引起系统误动作 在有微分控制环节的系统中还会引起系统振荡 因此危害极大 干扰噪声可分为周期性和随机性两类 对周期性的工频和高频干扰 可以通过在电路中加入RC低通滤波器硬件来加以抑制 但对于低频周期性干扰和随机性干扰 硬件就无能为力了 用数字滤波可以解决这些问题 同时在伺服系统中 前向控制通道中也要加入速度给定滤波 电流给定滤波等滤波器 所谓数字滤波 就是通过一定的软件计算或判断来减少干扰在有用信号中的比重 达到减弱或消除干扰的目的 它与模拟滤波相比有如下优点 数字滤波是用程序实现的 不需要增加硬件投入 因而成本低 可靠性高 稳定性好 不存在各回路之间的阻抗匹配问题 可以对频率很低的信号实现滤波 在设计和调试数字滤波器的过程中 可以根据不同的干扰情况 随时修改滤波程序和滤波方法 具有很强的灵活性 其主要方法有 算术平均值法 移动平均滤波法 防脉冲干扰平均值法 数字低通滤波法等 各种数字滤波器各有优缺点 在电动机控制中 要求动态响应速度要快 因此在选用数字滤波的时候 除了考虑滤波效果外 还要考虑滤波器的滤波速度 在实际应用中 有时将几种滤波器组合在一起使用 PWM生成和功率变换驱动接口 DSP的PWM发生电路可产生6路具有可编程死区和可变输出极性的PWM信号 当计数值与比较单元的值相同时 产生的PWM信号进入波形发生单元 再进入死区发生单元 死区宽度从0 s 16 s可调 系统中考虑到所用功率开关器件的开通和关断时间 设定PWM波的死区时间为3 2 s 输出逻辑控制单元控制PWM信号的极性 可设置PWM信号为强制高电平 强制低电平 激活高电平 激活低电平等4种状态 保护和辅助功能 为保证系统中功率变换电路及电动机安全可靠的工作 伺服系统一般具备过电压 过电流 过热 超速 反馈断线 缺相等保护功能 且进行锁存 DSP为此提供了PDPINT输入信号 实现伺服系统的各种保护功能 各种故障信号由CD4078综合后 经光电隔离输入到PDPINT引脚 此时DSP内定时器立即停止计数 所有PWM输出管脚全部呈高阻状态 同时产生中断信号 通知CPU有异常情况发生 整个过程不需要程序干预 全部自动完成 专用集成电路 目前 永磁无刷电动机有其专用集成电路 近年来伺服系统得到迅速推广应用的主要原因之一 是专用控制电路芯片和功率集成电路芯片的出现 它把控制器硬件结构及接口和控制算法集于一体形成各种电机控制专用集成电路 赋予更多的功能 减轻设计任务 使电动机控制更为有效 随着电动机应用技术越来越复杂 系统设计者正在通过利用电动机控制集成电路寻求工作的简化 电动机控制集成化的一个理由是使用者容易获得最佳的硬件 软件解决方案 人们可用最小的开发时间 就能将其最终产品在市场上销售 事实上 许多伺服电动机在消费 商业和工业应用的市场竞争中 以更短时间推向市场这个因素变得更具有决定性 电机控制集成电路市场主要包括 工业自动化 计算机与外围设备 汽车 家用电器 消费类产品 医学设备 军事 航空宇宙 航空和商用的电动机驱动控制 工业自动化仍是最普遍的应用市场 用于家用电器和消费产品部分将会增加 更多的焦点放置在功率管理和功率变换上 目前用于电机控制的集成电路大致可以分为三大类 电机控制集成电路以及专门为电机控制设计的微控制器 MCU 和数字信号微处理器 DSP 集成电路 电机控制专用集成电路的出现对电机控制的影响是深远的 它大大推动了电机控制行业的发展 市场前景十分广阔 但是 随着技术的进步 特别是数字化趋势流行的今天 人们不会满足于停留在模拟数字混合的时代 针对电机控制应用的MCU和DSP芯片替换了曾经充满整个电路板的许许多多的元器件 随着技术的发展 会有功能更强 性能更好 适合于各种电机的专用集成电路出现 新型的控制策略 1 直接转矩控制2 非线性控制3 自适应控制4 滑模变结构控制5 智能控制 4方波驱动永磁无刷电动机 在以方波驱动的永磁无刷电动机控制中 大多只进行速度闭环的控制 在要求具有动态性能时 增加电流闭环 在整个驱动系统中 其速度环 电流环的调节和处理具有通用性 关键是PWM的输出和换向逻辑的合成 要能保证正确的绕组换向 其速度反馈测量和磁极位置传感只采用有限的霍尔信号 因此性能不如正弦波驱动的永磁无刷电动机 速度闭环控制 对无刷电动机的速度调节范围和速度控制精度有较高的要求 应当采用速度闭环的控制结构 转速的控制由速度给定决定 正反转的控制由方向给定决定 在无刷电动机闭环调速系统中 速度控制器的输出信号 用作PWM的控制信号 速度给定始终为正 只有大小 一般将霍尔位置传感器的信号加以6倍频处理后 形成速度反馈信号 反馈信号始终为正 也只有大小 方向给定和霍尔位置传感器信号的组合形成换相逻辑控制 这种控制系统中 一般带有电流截止负反馈 速度电流双闭环控制 采用速度单闭环控制的无刷电动机控制系统可以提高电动机的速度控制精度 减小速度误差 如果对系统的动态性能要求较高 例如要求电动机快速起动 制动 突加负载时速度改变小 恢复快等 单闭环系统就无法满足要求了 这时 需要速度和电流的双闭环控制 使其具有伺服的性能 与有刷直流电动机双闭环系统相比 无刷电动机双闭环系统中的电流环的结构具有其特殊性 这里有三相电枢绕组 如采用二二导通方式 在不同的时刻 电动机的电流经过其中不同的两个绕组 根据这一特点 至少必须设置两路电流传感器 霍尔电流传感器 根据基尔霍夫电流定则 第三相的电流可由另外两相的电流值计算得到 当1管导通时 A相电流iA的方向为正 当4管导通时 A相电流iA的方向为负 当3管导通时 B相电流iB的方向为正 当6管导通时 B相电流iB的方向为负 在这里 方波电流幅值Im与电动机转矩成正比 采用两个电流调节器构成双闭环系统 需要对速度调节器的输出信号Ugi进行 分解 使其能够成为A相和B相的电流的给定信号 实现对Ugi的 分解 的电路如图 对Ugi 分解 也就是A相电流的给定值i A的形成 B相电流给定值i B是按相同的办法形成的 彼此互差120度电角度 在这种控制方式下 电动机换相是与控制电流波形结合在一起来实现的 无需专门的方向控制信号 由图中可以看出 当Ugi的极性反向以后 A相和B相电流的给定值都会发生180度相位移动 所以转矩的方向直接体现在Ugi的极性中 A相和B相电流反馈信号iA和iB可以由电流传感器直接测得 A相和B相电流调节器分别是LTA LTB 一般采用比例积分型 输出信号分别是U A和U B 由反馈系统理论可知 U A和U B具有电动机绕组相电压控制信号的性质 C相绕组的相电压控制信号U C可由以下式得到U C U A U B U A U B U C和三角载波信号Ut进行比较 经过调制后的信号是三路PWM波 可以用其控制逆变器主电路 实现对电动机的驱动 如图24所示 采用这种三角载波比较方式实现电流跟踪控制具有谐波分量固定 电流波动小的特点 可以在一个三角波载波周期内实现电流的跟踪 即实现最短时间控制 三角波载波频率的选择 影响电流控制的快慢 平均的控制延时等于半个三角波载波周期 在这一延时小于电动机机电时间常数的1 10时 可以忽略不计 无位置传感器控制 无位置传感器的无刷电动机的转子位置需要通过估计来获得 获取转子位置的目的是为了换相 所以只需要估计出换相时刻的转子位置 对于三相绕组的电动机 在一个电周期内只要估计6个时刻 相邻两时刻转子位置相差60度电角度 常用方法有反电动势法等 无论何种方法 都只适合于电动机稳速运行 当电动机速度有波动时所得的估计值误差较大 从电动机三相绕组的端点取出三相反电动势 经过过零检测和30度移相 得到了换向控制信号 此信号经过功率放大 就可以用来驱动逆变器主电路开关管 常用无刷电动机驱动控制的专用芯片 各国著名的半导体厂商推出了多种不同规格和用途的无刷电动机专用芯片 功能齐全 性能优良 大多数专用芯片的功率控制是采用PWM方式 电路内设置有频率可设定的锯齿波振荡器 误差放大器 PWM比较器和温度补偿基准电压源等 MC33035原理与应用 是MOTOROLA公司称之为第二代的无刷电动机控制器专用集成电路系列 外接功率开关管器件后 可用来控制三相 全波或半波 两相和四相无刷电动机 还可以用作有刷直流电动机的控制 转子位置传感器译码器电路 带温度补偿的内部基准电源 频率可设定的锯齿波振荡器 误差放大器 脉宽调制 PWM 比较器 输出驱动电路 欠电压封锁保护 芯片过热保护等故障输出 限流电流 该集成电路的典型控制功能包括PWM开环速度控制 使能控制 起动或停止 正反转控制和能耗制动控制 适当加上一些外围元件 可实现软起动 MC33039电子测速原理与转速闭环控制应用 MC33039是为无刷电动机闭环速度控制专门设计的集成电路 系统不必使用较高价格的电磁式或光电式测速机 就可实现精确调速控制 它直接利用三相式无刷电动机转子位置传感器三个输出信号 经F V变换成正比于电动机转速的电压 1 2 3脚接收位置传感器三个信号 经有滞后的缓冲电路 以抑止输入噪声 经 或 运算得到相当于电动机每对极下6个脉冲的信号 再经有外接定时元件和的单稳电路 从5脚输出的信号的占空比与电动机转速有关 其直流分量与转速成正比 此信号再外接低通滤波器处理后 即可得到与转速成正比的测速电压 MC33039 MC33035组成的三相全波无刷电动机闭环速度控制系统 MC33035其本身只能对电机的开环控制 对电机的闭环控制电路中 需要一个与电机速度成正比的输入电压 这通常是由一个测速计来获得电机速度的反馈电压 这里用一片MC33039来代替 从而大大提高了系统的性价比 MC33039的电源电压为6 25V 由MC33035的第8脚提供 霍尔传感器信号连到MC33035的转子位置译码器 同时也连到MC33039的1 2 3端 霍尔传感器信号线上的正负沿跳变将使MC33039产生一定幅度和宽度的脉冲输出 其参数由外接电阻R1和外接电容C1决定 产生的输出脉冲由MC33039的引脚5输出 并送到积分型的误差放大器 从而产生了与电动机转速成正比的直流电压 该电压连到MC33035的引脚13 建立脉宽调制的基准电压 从而构成闭环控制回路 MC33035输出驱动MPM3003 而MPM3003是由功率型MOSFET组成的三相桥式电路 其峰值电流可达25A 在制动 起动和电机反转时将产生较大的电流 全数字方波驱动控制 有位置传感器 无刷电动机只有一对磁极 电气角和机械角相等 采用三相星形连接 感应电动势波形为梯形 三个位置间隔120度分布的霍尔传感器H1 H2 H3经整形隔离电路后分别与DSP的三个捕捉引脚CAP1 CAP2 CAP3相连 通过产生捕捉中断来给出换相时刻 同时给出位置信息 由于电动机每次只有两相通电 其中一相正向通电 另一相反向通电 形成一个回路 因此每次只需控制一个电流 用电阻R作为廉价的电流传感器 将其安放在电源对地端 如需要同功率变换电路隔离可采用霍尔电流传感器 电流反馈输出经滤波放大电路连接到DSP的ADC00输入端 在每一个PWM周期都对电流进行一次采样 对速度 PWM占空比 进行控制 DSP通过PWM1 PWM6引脚经一个隔离和反相驱动电路连接到6个开关管 实现定频PWM和换相控制 速度反馈则是通过霍尔位置传感器输出的位置量 经过计算得到 电流的检测和计算 电流的检测是用分压电阻R来实现的 电阻值的选择可考虑当过电流发生时能输出最大电压 同时起到过流检测的作用 每一个PWM周期对电流采样一次 如果PWM周期设为50 s 则电流采样频率为20kHz 但是有一个问题必须要注意 在一个PWM周期中何时对电流进行采样 如果对开关管采用双极性PWM控制 在PWM周期的 关 期间 电流经过同一桥臂的另两个开关管的续流二极管到电源形成续流回路 在电阻R上有反向电流流过 产生负压降 所以在PWM周期的 关 期间不能采样电流 另外在PWM周期的 开 的瞬间 电流上升并不稳定 也不易采样 所以电流采样时刻应在PWM周期的 开 期间的中部 它可以通过DSP定时器采用连续增减计数方式时周期匹配事件启动ADC转换来实现 位置检测和速度计算 根据无刷电动机控制原理 为了保证得到恒定的最大转矩 就必须不断地对无刷电动机进行换相 减小转矩的波动 因此位置检测是非常重要的 位置检测不但用于换相控制 而且还用于产生速度反馈量 位置信号是通过3个霍尔传感器得到的 每一个霍尔传感器都会产生180度脉宽的输出信号 3个霍尔传感器的输出信号互差120 相位差 这样在旋转一周中共有6个上升或下降沿 正好对应着6个换相时刻 通过将DSP设置为双沿触发捕捉中断功能 就可以获得这6个时刻 但是只有换相时刻还不能正确换相 还需要知道应该换哪一相 通过将DSP的捕捉口CAP1 CAP3设置为I O口 并检测该口的电平状态 就可以知道哪一个霍尔传感器的什么沿触发的捕捉中断 将捕捉口的电平状态称为换相控制字 换相控制字与换相的对应关系见表 该表是根据霍尔传感器的输出信号和绕组电流关系所得 在捕捉中断处理子程序中 根据换相控制字查表就能得到换相信息 实现正确换相位置信号还可以用于产生速度反馈量 旋转一周中转子每转过60度机械角都有一次换相 这样 只要测得两次换相的时间间隔 t 就可以计算出两次换相间隔期间的平均角速度 如果速度调节每62 5ms进行一次 即1250个PWM周期 每个PWM周期50 s 采样一次 控制软件 CPU时钟频率为20MHz PWM频率为20kHz 通过定时器1周期匹配事件启动ADC转换 使每个PWM周期都对电流进行一次采样 并在A D转换中断处理程序中对电流进行调节 来控制PWM输出 转子每转过60度机械角都触发一次捕捉中断 进行换相操作和速度计算 捕捉中断和A D转换中断的程序框图 无位置传感器 只要测量出各相的相电压Ua Ub Uc 根据下式计算出 由DSP计算出后 就可通过下式 计算出任一断电相的感应电动势 通过判断感应电动势的符号变化 来确定过零点时刻 再将其延迟30 就可以获得6个换相信号 控制软件 PWM采用对称波形 固定频率20kHz 利用定时器1的周期匹配触发ADC转换 因此每50 s进行一次转换 转换结束后产生中断 在ADC中断子程序中 主要进行读ADC转换结果 电流调节 速度调节 中性点电压计算 延迟时间计算 感应电动势符号判别和换相准备的操作 延迟时间到 进行换相操作和每50 s一次的更新PWM占空比操作 正弦波驱动永磁无刷电动机 转WORD 5正弦波驱动永磁无刷电动机 正弦波永磁无刷电动机的每相绕组反电动势和输入电流波形都必须是正弦波 每相正弦波反电动势和相电流的频率是由转子转速决定的 通过转子位置传感器检测出转子相对于定子的绝对位置 由伺服驱动器强制产生出正弦波相电流 并使此电流与该相反电动势严格保持同相 它是一种高性能的控制方式 由于可以连续测量出磁场位置 因此 就可以对电枢电流幅值和相位进行控制 达到对定子电流瞬间值进行连续的细微控制的要求 理论上可获得与转角无关的恒定输出转矩 有良好的低速平稳性 同时也大大改善了在中 高速大转矩时的特性 由于可以实现转子磁场方向与电枢电流矢量的磁场在空间上正交 在其他条件一定 无凸极效应时所产生的电磁转矩最大 应该进一步指出 电动机的转子磁通系由转子上的永磁体产生且保持恒定 所控制的定子电流与磁场正交 完全是用来产生转矩的 这一点和直流伺服电动机是一样的 电磁转矩和定子电流具有线形关系 如果转子磁通和定子电流矢量不是正交的话 则可能导致气隙的有效磁场增加或减少 电动机的运行状态将发生变化 比较直流伺服电动机与正弦波永磁无刷电动机控制系统可看出 直流伺服电动机只控制单相电枢回路 而正弦波永磁无刷电动机则控制三相电枢绕组 由于正弦波永磁无刷电动机的结构特点 伺服系统还必须具有检测转子磁极位置的电路 正弦波产生电路 直流到正弦变换电路 速度检测电路等 速度指令和速度反馈信号在速度控制器的输入端进行比较 速度控制器的输出信号为电流指令信号 这是一个表征电流幅值的直流量 但电动机是正弦波交流电动机 要求在其定子绕组中通入交流电流 因此 必须将速度控制