【文章內(nèi)容簡介】 度發(fā)饋信號 n 送給速度調(diào)節(jié)器(ASR),速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流信號的參考值 i*,與電流信號的反饋值一起送至電流調(diào)節(jié)器 (ACR),電流調(diào)節(jié)器的輸出作為電壓參 考值 ,與給定載波比較后 ,形成 PWM 調(diào)制波 ,控制逆變器的實(shí)際輸出電壓 .邏輯控制單元的任務(wù)是根據(jù)位置檢測器的輸出信號及正反轉(zhuǎn)指令決定導(dǎo)通相 .被確定要導(dǎo)通的相不總是在導(dǎo)通 ,它還要受 PWM 輸出信號的控制 ,邏輯 ”與 ”單元的任務(wù)就是把換相信號和 PWM 信號結(jié)合起來 ,再送到逆變器的驅(qū)動電路 . 的任務(wù)就是把換相信號和 PWM 信號結(jié)合起+ 20 來 ,再送到逆變器的驅(qū)動電路 。 . 圖 32 無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)原理圖 3． 2． 2 PWM 調(diào)制方式 對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電 動機(jī) ,在一個周期內(nèi) ,每個功率開關(guān)器件導(dǎo)通 120 度電角度 ,每隔 60 度有兩個開關(guān)器件切換 .因此 ,PWM 調(diào)制方式可以有以下五種 : (1) on_pwm型 :在 120 度導(dǎo)通區(qū)間內(nèi) ,各開關(guān)管前 60 度恒通 ,后 60 度采用 PWM 調(diào)制 ,如圖 33 所示 . 圖 33 半橋 PWM 調(diào)制（ on_pwm型） 21 (2) Pwm_on 型 :在在 120 度導(dǎo)通區(qū)間內(nèi) ,各開關(guān)管前 60 度采用 PWM調(diào)制 ,后 60 度恒通 , 如圖 34 所示。 圖 34 半橋 PWM 調(diào)制（ pwm_on 型） (3) H_pwmL_on 型 :在各自的 120 度導(dǎo)通區(qū)間內(nèi) ,上橋臂功率開關(guān)通過 PWM 調(diào)制 ,下橋臂開關(guān)管恒通 . (4) H_onL_pwm型 : 在各自的 120 度導(dǎo)通區(qū)間內(nèi) ,上橋臂功率開關(guān)恒通 , 下 橋 臂 功 率 開 關(guān) 管 通 過 PWM 調(diào)制 , 如圖 35 所示 . 22 圖 35 半橋 PWM 調(diào)制（ H_on – L_pwm型） (5) H_pwmL_pwm 型 ：上下臂各管皆為 PWM 調(diào)制方式，如圖 36所示。 圖 36 全橋 PWM 調(diào)制（ H_pwm – L_pwm） 方式 (1),(2),(3),(4)又稱為 半橋臂調(diào)制方式 ,即在任意一個 60 度區(qū)間 ,只有上橋臂或橋臂開關(guān)進(jìn)行斬波調(diào)制 .其中 ,方式 (1)和 (2)為雙管調(diào)制方式 ,即在調(diào)制過程中上橋臂或下橋臂的功率開關(guān)都參與斬波調(diào)制 .方式 (3)和 (4)又稱為單管調(diào)制方式 ,即在調(diào)制過程中只有上橋臂或下橋臂的功率開關(guān)參與斬波調(diào)制 . 方式 (5)又稱為全橋調(diào)制方式 ,即在任意一個 60 度區(qū)間內(nèi) ,上下橋臂的功率開關(guān)同時進(jìn)行斬波調(diào)制 . 在全橋調(diào)制方式中 ,功率開關(guān)的動態(tài)功耗是半橋調(diào)制方式中的兩倍 .與半橋調(diào)制方式相比 ,全橋調(diào)制方式降低了系統(tǒng)效率 ,給散熱帶來困難 .因此 ,考慮到功率開關(guān)的動態(tài)功耗 ,在 PWM 調(diào)制方式上應(yīng)選折半橋調(diào)制方式 .同時 ,在半橋調(diào)制方式中 ,雙管調(diào)式方式不增加功率開關(guān) 23 的動態(tài)損耗 ,并解決了由單管調(diào)制所造成的功率開關(guān)散熱不均 ,提高了系統(tǒng)的可靠性 .因此 ,在 PWM 調(diào)制方式中應(yīng)采用半橋調(diào)制中的雙管調(diào)制方式 . 3． 2． 3 正反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制 對于普通的有刷直流電動機(jī) ,只要改變勵磁磁場的極性或電樞電流的方向 ,就可以改變轉(zhuǎn)向 .而對于無刷直流電動機(jī) ,由于永磁歷次磁場很難改變極性 ,且功率開關(guān)管的導(dǎo)電是單方向的 ,不能簡單地改變磁場極性或電樞電流方向 ,一般通過改變逆變器功率開關(guān)的邏輯關(guān)系使電樞各相繞組導(dǎo)通發(fā)生 變化來實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn) . . 下面我們以圖 37 的霍爾開關(guān)式位置傳感器為例分析兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。 3． 2． 3． 1 順時針旋轉(zhuǎn) 設(shè)電機(jī)處于 38（ a）所示的 A、 B 兩相導(dǎo)通的初始位置，定轉(zhuǎn)子磁場相互作用使電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)。此時霍爾開關(guān) Ha、 Hb 在傳感器磁場的作用下輸出高電平，而 Hc 不受磁場作用，輸出低電平。故 A、B 兩相導(dǎo)通狀態(tài)對應(yīng)的位置信號的邏輯為： Ha=Hb=1,Hc=0。 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過 60 度電角度，到達(dá)圖 38(b)所示的 A、 C 兩相導(dǎo)通狀態(tài)的位置，定轉(zhuǎn)子磁場相互作用仍使電機(jī)順時針旋 轉(zhuǎn)，而位置信號的邏輯為： Ha=0,Hb=1,Hc=0. 依次類推，可以得到一個通電周期內(nèi)其他通電狀態(tài)下位置信號的邏輯，如圖 38（ c） ~（ f）所示。表 13 列出了電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)時，各相繞組通電順序和位置信號控制邏輯。 24 表 13 順時針旋轉(zhuǎn)時繞組通電順序和位置信號控制邏輯 工作狀態(tài) 1 2 3 4 5 6 Ha 1 1 0 0 0 1 Hb 0 0 0 1 1 1 Hc 0 1 1 1 0 0 導(dǎo)通相 A~B A~C B~C B~A C~A C~B 導(dǎo)通管子 VTVT6 VTVT2 VT3 、VT2 VT3 、VT4 VTVT4 VTVT6 3． 2． 3． 2 逆時針旋轉(zhuǎn) 當(dāng)電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)時，各相繞組的通電順序與位置信號的邏輯如表 14 所示。 表 14 逆時針旋轉(zhuǎn)時繞組的通電順序和位置控制邏輯 工作狀態(tài) 1 2 3 4 5 6 Ha 1 1 0 0 0 1 Hb 0 0 0 1 1 1 Hc 0 1 1 1 0 0 導(dǎo)通相 B~C A~C A~B C~B C~A B~A 導(dǎo)通管子 VTVT2 VTVT2 VT1 、VT6 VT5 、VT6 VTVT4 VTVT4 綜合表 13 和表 14，可以得到六個功率開關(guān)管在順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)時的控制邏輯。如表 15 所示。可見，在電機(jī)正轉(zhuǎn)時各開關(guān)的控制邏輯與反轉(zhuǎn)時的控制邏輯正好相反。 25 表 15 開關(guān)管的控制邏輯 管子 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 順時針 HbHc HaHb HaHc HbHc HaHb HaHc 逆時針 HbHc HaHb HaHc HbHc HaHb HaHc 圖 38 中給出的位置是每個狀態(tài)的開始位置。在 38（ a）中， A 相剛剛導(dǎo)通；經(jīng)過 60 度電角度，到達(dá)圖 38（ b）位置， A 相相軸與主磁場軸線垂直， A 相電動勢最大；再經(jīng)過 60 度電角度，到達(dá)圖 38（ c）位置， A 相關(guān)斷。可見， A 相繞組在其反電動勢達(dá)到最大之前 60 度電角度時導(dǎo)通，在其反電動勢達(dá)到最大之后 60 度電角度時關(guān)斷。分析其他狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，各相繞組的導(dǎo)通區(qū)間總是在其反電動勢最大之前 60 度電角度至之后 60 度電角度范圍內(nèi)。因此，圖 37 所示的位置傳感器決定的換相點(diǎn)滿足兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式的要求。 圖 37 霍爾傳感器與電樞繞組、磁極的相對位置 26 圖 38 順時針旋轉(zhuǎn)時通電狀態(tài)與位置信號的關(guān)系 3． 2． 4 控制狀態(tài)的實(shí)現(xiàn) 無刷直流電 動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步聚如下： （ 1） 了解電機(jī)的特性，明確設(shè)計指標(biāo)和設(shè)計任務(wù)。 （ 2） 采用逐步細(xì)化的方法，設(shè)計逆變器、位置檢測器和控制器的硬件電路及其各部分電路之間的接口。 （ 3） 色痕跡控制軟件。 （ 4） 綜合調(diào)試。在調(diào)試過程中，逐步排除設(shè)計中的軟硬件錯誤，完 27 善設(shè)計方案，直至達(dá)到設(shè)計指標(biāo)的要求。 下面我們簡要說明無刷直流電動機(jī)各組成部分的設(shè)計方法。 1， 逆變器 （ 1） 主電路形式與功率開關(guān)管的選擇。功率逆變器主電路與繞組的聯(lián)接方式、電機(jī)的功率等有關(guān)。 逆變器功率開關(guān)管是主電路的核心部分。目前，無刷直流電動機(jī)中功率開關(guān)管主要為功率 MOSFET 和 IGBT。為了提高逆變器的可靠性、縮小體積，還可以選擇近年來迅速發(fā)展的功率集成電路（ PIC）。 （ 2） 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路將控制器的輸出信號進(jìn)行功率放大后，向各功率開關(guān)管送去使其能飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動信號。驅(qū)動電路的工作方式直接影響著開關(guān)管的一些參數(shù)和特性，從而影響著整個電機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作。 傳統(tǒng)的驅(qū)動電路大部分是采用分立元件搭建而成，電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、可靠性差?，F(xiàn)在已經(jīng)把驅(qū)動電路制成一定輸出功率的專用集成電路，并已逐步在無刷直流電動機(jī)中得到推廣應(yīng)用。 2 位置檢測器 位置檢測器分有位置傳感器和無位置傳感器 兩種。 在有位置傳感器的位置檢測中，位置檢測器電路不僅要保證檢測元件輸出正確的脈沖信號，而且要保證脈沖信號的質(zhì)量。一般霍爾集成電路是集電極開路輸出，需要在檢測環(huán)節(jié)加上拉電阻；同時還需要根據(jù)檢測波采取一定的硬件濾波和軟件防抖動措施。 3，控制器 28 無刷直流電動機(jī)的控制器有以下幾種形式： （ 1） 分立元件加少量集成電路構(gòu)成模擬控制系統(tǒng)。模擬控制器在以往的無刷直流電動機(jī)中大量應(yīng)用，但由于模擬電路中不可避免的存在參數(shù)漂移和參數(shù)不一致等問題，加上線路復(fù)雜 、調(diào)試不便等因素，因此只用于一些經(jīng)濟(jì)實(shí)用型無刷直流電動機(jī)中。 （ 2） 基于專用集 成電路的控制系統(tǒng)。雖克服了分立元件帶來的弊端，但其應(yīng)用范圍局限性大，功能難以擴(kuò)展。 （ 3） 以微型計算機(jī)技術(shù)為核心的數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)和全數(shù)字化控制系統(tǒng)。 3． 3 無刷直流電機(jī)的 控制方式 3． 3． 1 三相無刷直流電動機(jī)的主電路 無刷直流電動機(jī)的主電路主要有星形連接的三相半橋式、星形連接的三相橋式和角形連接的三相橋式三種形式。 （ 1）星形連接的三相半橋主電路 常見的三相半橋主電路如圖 39 所示： 29 圖 39 三相半橋主電路 圖中， A、 B、 C 三相繞組分別與三只功率開關(guān)管 VT VTVT3 串聯(lián)，來自位置檢測器的信號 H H H3 控制三只開關(guān)管的通斷。 （ 2）星形連接的三相橋式主電路 圖 310 所示是一種星形連接三相橋式主電路。 圖 310 星形連接三相橋式主電路 圖中，上橋臂三個開關(guān)管 VT VT VT5 是 P 溝道功率MOSFET，柵極電位低電平時導(dǎo)通；下橋臂三個開關(guān)管 VT VTVT6 是 N 溝道功率 MOSFET，柵極電位高電平時導(dǎo)通。這種逆變器 30 電路利用 P 溝道 MOSFET 和 N 溝道 MOSFET 導(dǎo)通規(guī)律的互補(bǔ)性，簡化了功率開關(guān)管的驅(qū)動電路。位置檢測器的三個輸出信號通過邏輯電路控制這 些開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：二二導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通方式。 （ 3）角形連接三相橋式主電路 圖 311 所示的角形連接三相橋式主電路的開關(guān)管也采用MOSFET。與星形連接一樣，角形連接的控制方式也有二二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種。 圖 311 三角形連接的三相橋式主電路 3． 3． 2 無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號的檢測 在無刷直流電動機(jī)中 ,常用的位置傳感器主要有以下幾種類型 : 1,電磁式位置傳感器 ： 它是利用電磁效應(yīng)來測量轉(zhuǎn)子位置的 .有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關(guān)電路等多種類型 .在無刷直流電動機(jī)中 ,使用較 多的是開口變壓器 .下面介紹開口變壓器類型 . 它由定子和轉(zhuǎn)子組成 ,定子由磁心、激磁繞組和輸出繞組組成 ,轉(zhuǎn) 31 子由非磁性圓盤和扇形導(dǎo)磁片組成 ,轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體同軸連接 .定子磁心和轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁片由高頻磁材料制成 .扇型導(dǎo)磁片的個數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)相等 .定子磁心共有 6個極 ,在空間均勻分布 .其中三個極上的繞組串聯(lián)以來 .通以高頻激磁磁電流 。另外三個極上的繞組相互獨(dú)立 ,在空間彼此相差 120 度 ,作為傳感器的輸出 . 當(dāng)轉(zhuǎn)子處于圖 312 所示的位置時 ,高頻磁通通過轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)磁材料耦合到繞組 WA 上 ,在繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓 繞組WB,WC因?yàn)椴荒苄纬纱篷詈匣芈?,感應(yīng)電壓基本為 ,位置傳感器上分別依次感應(yīng)出 UA,UB,UC 三個電壓信號 。 輸出信號經(jīng)整流 ,濾波后 ,即可用于控制逆變器開關(guān)管 。 電磁式位置傳感器具有輸出信號大 ,工作可靠 ,壽命長 ,適應(yīng)性強(qiáng) ,對環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn) 。 圖 312 電磁式位置傳感器 32 2， 磁敏式位置傳感器 ： 常見的磁敏式位置傳感器是由霍爾傳感器或霍爾集成電路構(gòu)成的 。 霍爾元件式位置傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單 ,性能可靠 ,成本低 ,是目前在無刷直流電動機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器 。 霍爾元件產(chǎn)生的電動勢很低 ,在應(yīng)用時往往需要外接放大器 ,很不方便 。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展 ,將霍爾元件與附加電路封裝為三端模塊 ,構(gòu)成霍爾集成電路 。 霍爾集成電路有開關(guān)型和線形型兩種類型 。通常采用前者作為位置傳感元件 。 其外形是一只普通晶體管 。 使用霍爾集成電路構(gòu)成位置傳感器有兩種方式 。 第一種是將霍爾集成電路粘貼于電機(jī)端蓋內(nèi)表面 ,在靠近霍爾集成電路并與之一定間隙處 ,安裝著與電機(jī)軸同軸的永磁體 。 第二種是直接將霍爾集成電路敷貼在定子電樞鐵心表面或繞組端部緊靠鐵心處 ,利用電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁體住磁極作為傳感器的永磁體 ,根據(jù)霍爾集成電路的輸出信號即可判定轉(zhuǎn) 子位置 。 對于兩相導(dǎo)通星形三相