无刷直流电动机的原理与应用

无刷直流电动机的原理与应用

无刷电流畅机也称为方波永兴同步机，是指在申请系统中动态小容量电压电量的自动控制频率同步机。方波电流的输入被放置在一起。它不仅具有良好的电机性能，而且无机械更换装置。电磁干燥小，维护要求低，可靠性好，无需电磁干（旋转元件由永久磁钢组成），效率相对较高。近年来，随着电磁干燥材料和新磁强控制理论的快速发展，其优越性日益明显，已被广泛使用。1无刷直流电动机的转子系统无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机的本体以外,还有由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置,使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场,在空间始终保持在(π/2)rad左右的电角度,产生转矩推动转子旋转.无刷直流电动机的转子位置传感器随时检测转子磁极位置,为电子开关控制电路提供正确的换相信息.电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的时刻、顺序和时间.当定子绕组的某一相通电时,该电流与转子永久磁钢所产生的磁场相互作用而产生转矩,驱动转子旋转.无刷直流电动机的原理如图1所示.图2是无刷直流电动机的主回路.逆变器由自关断功率器件和续流二极管构成,三相定子绕组为Y型连接,采用两两通电方式,即每一个瞬间有2个功率管导通,每隔1/6周期(60°电角度)换相一次,每次换相1个功率管,每一功率管导通120°电角度.功率管的导通顺序是:VT6VT1→VT1VT2→VT2VT3→VT3VT4→VT4VT5→VT5VT6.在方波无刷直流电动机中,定子绕组的反电势波形是正负交变的梯形波,如图3所示.同一相(例如A相)的电动势eA和电流iA波形图,如图4所示.2spmw的基本原理无刷直流电动机的转子采用瓦形磁钢,经专门的磁路设计,可获得梯形波的气隙磁场,定子采用集中整距绕组,因而感应电动势也是梯形波的.由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流.由于各相电流都是方形波,逆变器只须按直流PWM进行控制,比SPMW逆变器简单得多,这是设计无刷直流电动机(方波永磁同步电机)的初衷.无刷直流电动机的电压方程为:式中,La,Lb,Lc为三相绕组的自感,La=Lb=Lc;Lab为A相和B相绕组的互感,其它亦然,Lab=Lba=Lac=Lca=Lbc=Lcb=M;P为微分算子;ea,eb,ec为三相绕组感生电动势.设Ip为方波电流的峰值;Ep为梯形波电动势的峰值.对于采用两相导通三相六拍运行方式的无刷直流电动机而言,同时只有两相导通,从逆变器直流侧看,为两相绕组串联,则电磁功率为Pm=2EpIp.忽略梯形波两边,电磁转矩为式中,Ψp为梯形波励磁链的峰值,是恒定值;pn为极对数.由此可见,无刷直流电动机的转矩与电流Ip成正比,和直流电机相当,这样,其控制系统也和直流调速系统一样.3电机端电势测量原理无刷直流电动机的无位置传感器控制是指取消传统的转子位置传感器和转速传感器,而通过测取电动机的某些物理量,间接得到转子位置信号,用此信号实现换流,并进一步得到转速的反馈值,从而实现无位置传感器闭环控制.目前,无刷直流电动机的无位置传感器控制较为典型的控制方法有:反电势法、定子三次谐波法、电流通路监视法、涡流效应法、磁通估计法等.本系统采用反电势法.由于无刷直流电动机的绕组反电势波形直接反映转子的位置,因此可以利用绕组反电势来获取转子的位置信息.对于采用两相导通三相六拍运行方式的无刷直流电动机而言,三相绕组在任意时刻总有一相处于断开状态,检测断开相的反电势信号,当其过零点时,转子直轴与该相绕组重合,再经过30°电角度依照开通顺序进行换相.故只要检测到各相反电势的过零点,即可获知转子的若干关键位置,这就是反电势法的基本原理.但是,绕组反电势是难以直接测取的物理量,因此,通常的做法是通过检测电机端电压信号,进行比较来间接获取绕组反电势信号的过零点,从而得到转子的位置信号,故这种方法又称为端电压法.图5为电机一相绕组的电气模型示意图,图中L为相电感,R为相电阻,E为反电势,Vn为三相绕组星形连接中点对地的电压,V为端电压.根据图5所示的模型可得到下式:对于三相无刷直流电动机,每次只有两相通电,两相通电电流方向相反,同时另一相断电,相电流为零.因此,利用这个特点,将x分别等于A,B,C代入式(1),列出A,B,C三相的电压方程,并将3个方程相加,使RIx项和LdIx/dt项相抵消,可以得到:由图3可见,无论哪个相的感应电动势的过零点,都存在Ea+Eb+Ec=0的关系,因此,在感应电动势过零点有:对于断电的那一相,Ix=0,因此根据式(1),其感应电动势为:所以,只要测量出各相的相电压Va,Vb,Vc,根据式(3)计算出Vn,就可通过式(4)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.由于系统采用无位置传感器控制,因此速度反馈信息只能够通过对无位置传感器控制方法检测到的转子位置信息加以处理来得到.其原理:根据转子位置信号变化的时间间隔来计算转速,计算公式为(p为极对数):采用无位置传感器控制方式,需要得到电机的反电势信号.当电机在静止或低速运行时,反电势为零或太小,因而无法加以利用.所以需设计起动电路.4控制并行并行并行并无实体而独立的程序总线结构本系统采用16位定点TMS320LF2407ADSP.它采用了改进的哈佛结构,该结构支持分离的程序总线和数据总线.这样的总线结构使取指令、执行指令、数据传送和外设控制可以并行进行,因此可以极大的提高工作速度.这也保证了指令系统中的大多数指令可以实现单指令多操作,即一条指令可以实现多种操作.5系统的组成5.1无刷直流电动机的速度控制方案完成一个无刷直流电动机的无位置传感器控制,首先要得到转子的位置以实现定子绕组的正确换相.只要转子位置已知,就可以对定子磁通的大小加以控制.电流环采用PI控制,速度调节环采用PI控制,通过不断地检测电动机当前的转速,并与给定转速相比较,可以很好地实现对速度的控制.综合以上因素,可以有图6所示无刷直流电动机的速度控制方案.5.2电流反馈输出电路为了计算不通电相的感应电动势,需要测量3个相电压.可采用廉价的分压电阻和滤波电容组成相电压测量电路.各相电压信号经过放大后,连接到TMS320LF2407A的ADC输入端ADCIN01～AD-CIN03.采用两相导通三相六拍运行方式的无刷直流电动机,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1个回路,因此每次只需控制1个电流.用电阻作为廉价的电流传感器,将其安放在电源对地端,就可方便地实现电流反馈.电流反馈输出经滤波放大电路连接到TMS320LF2407A的ADC输入端ADCIN00,在每个PWM周期对电流进行一次采样,对速度(PWM占空比)进行控制.TMS320LF2407ADSP通过PWM1～PWM6引脚经1个反相驱动电路连接到6个开关管,实现定频PWM和换相控制.5.3设计参数控制和运行过程整个控制系统软件由主程序和中断服务子程序所组成.主程序主要完成事件管理系统的初始化、变量的初始化等.中断程序主要包括捕获中断、ADC转换结束中断、PDPINT中断等几个部分.捕获中断主要用于得到当前的转子位置,并调整输出的相序.ADC中断在每次PWM周期发生后一段时间内发生,可以通过ADC转换的数值经过计算得到当前的相电流,进行电流环的调节.在功率器件发