无刷直流电机调速系统

第四章无刷直流电动机及其控制系统

引言有刷直流电动机的电磁关系无刷直流电动机系统结构及原理无刷直流电动机的位置传感器无刷直流电动机系统的功率驱动电路无刷直流电动机控制系统及应用内容提要1方波无刷直流电动机系统正弦波无刷直流电动机系统（交流永磁同步电动机系统）4.5无刷直流电动机控制系统及应用24.5.1方波无刷直流电动机控制系统1.无刷直流电动机控制系统原理图转速、电流双闭环结构。速度由角度计算获得32.系统工作原理速度计算

根据位置信息，计算转速

速度调节器（PI调节）根据速度误差，计算调节器输出，并作为电流幅值给定位置传感器输出的角度增量采样间隔42.系统工作原理译码逻辑及电流调节器根据位置信号计算各个功率器件的使能开关状态，并与电流给定相乘，获得每相绕组的电流给定与反馈电流相比较，并进行电流闭环调节52.系统工作原理脉宽调制算法将电流调节器的输出信号转化为PWM信号功率驱动电路接收PWM信号，产生逆变电压带动电动机运行6两相通电方式通电逻辑：每隔60度改变一次通电状态绕组通电电流波形3.电流波形及功率器件的工作状态1234561123456

下面分析桥式电路各功率器件的工作状态7:Winding/Coil3.电流波形及功率器件的工作状态8桥式驱动电路各功率器件的使能信号（高电平导通）3.电流波形及功率器件的工作状态绕组通电电流波形使能信号驱动电路94.位置信号及译码逻辑作用通过位置信号，并经过译码，产生各功率器件的使能信号位置信号形式原则：在一个周期内产生6处跃变的不重复的位置信号理想情况：

可以由位置传感器产生六路与所需控制信号相同的位置信号，直接用于驱动六个功率器件问题：需要安装6个位置传感器104.位置信号及译码逻辑位置信号形式实际情况在每相绕组所处位置的磁密过零点开始，位置信号延时30度实际位置信号114.位置信号及译码逻辑译码逻辑

根据位置信号计算出使能信号使能信号位置信号125.电流闭环控制用于对各相绕组电流幅值进行控制基本原理单相通电两相通电根据获得的电流幅值给定值，通过电流调节器获得逆变电压的给定值，再通过PWM算法获得各个功率器件的开关信号136.反向旋转控制方法特点位置信号的形式不发生变化原来所处位置的转矩应该变为相反方向实现方法相对应的绕组电流方向取反上下桥臂对应的使能信号对调146.反向旋转控制方法123456157.无刷直流电动机控制系统速度给定调速旋钮供电电路驱动电路电流采样速度调节M三相桥电路2E72GA2E72GSSAC译码及电流控制2E72GSSAC2E72GSSAC三相无刷直流电机位置信号反馈电源微控制器168.应用实例应用于高速场合，降低转矩波动对性能的影响应用实例计算机软盘、光盘、硬盘驱动器（单向）工业生产，高速离心机，铣床民用，空调，洗衣机，电动自行车飞机尾翼控制、微型直升机174.5.2正弦波无刷直流电动机控制系统转速，电流双闭环结构电流为三相对称正弦波形，速度由角度计算获得正弦波无刷直流电动机控制系统结构18位置传感器：旋转变压器+2S80

存储器存储正弦值，角度值作为地址，存储器的输出作为两相标准正弦波，再经D/A变换，同时实现电流幅值给定相乘，获得三相电流给定值三相正弦波生成电路19三相正弦波生成电路由位置信号获得正弦值的工作原理

在存储器中存储正弦表，根据不同的地址即可输出对应的正弦值20三相正弦波生成电路位置传感器：旋转变压器+相敏解调电路

获得三相标准正弦波

标准正弦波与电流幅值经过D/A变换，获得三相电流给定值相敏电路21三相正弦波生成电路位置传感器：旋转变压器+相敏解调电路

获得三相标准正弦波

标准正弦波与电流幅值经过D/A变换，获得三相电流给定值正弦波生成电路22数字式实现方法位置信号：根据位置信号获得绝对起始角度，根据高频脉冲信号获得实时角度三相电流给定：计算实时角度的正弦值，与给定电流幅值相乘以此为基础，同时可实现转速闭环控制

目前广泛采用这种方式位置传感器：混合式光电编码器23电流闭环控制方法

常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪PWM（CurrentHysteresisBandPWM——CHBPWM）控制。24滞环比较方式电流跟踪控制原理

电流滞环跟踪控制的A相原理图负载L+-iiaia*V1V42Ud2UdVD4VD1HBC25

图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流i*a与输出电流ia

进行比较，电流偏差ia

超过时h，经滞环控制器HBC控制逆变器A相上（或下）桥臂的功率器件动作。B、C

二相的原理图均与此相同。滞环比较方式电流跟踪控制原理

26如果，ia<i*a

，且i*a-ia

≥

h，滞环控制器HBC输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件V1导通，变压变频器输出正电压，使增大。当增长到与相等时，虽然，但HBC仍保持正电平输出，保持导通，使继续增大直到达到ia

=i*a

+h

，ia

=–h

，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断V1

，并经延时后驱动V4滞环比较方式电流跟踪控制原理

27滞环比较方式的指令电流和输出电流

电流滞环跟踪控制时的电流波形28三相电流跟踪型PWM逆变电路

三相电流跟踪型PWM逆变电路

+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVW29三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形

30先进控制技术前述简易正弦波控制方法为基于静止坐标系下的交流电流控制方法先进的矢量控制技术：以电动机的动态模型为基础，进行基于转子旋转坐标系的旋转坐标变换，将交流量变换为直流量，进行闭环控制，可获得高精度控制性能31特点及应用特点转矩连续，且无转矩波动转速控制精度高应用数控机床机器人电梯