【文章內(nèi)容簡介】 4 第二章 無刷電機控制系統(tǒng)分析 直流電機具有響應(yīng)快速、起動轉(zhuǎn)矩較大，以及從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持 90176。 ，這就需要碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花、碳粉，因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。 交流電機沒有碳刷及整流子，免維護、堅固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能實現(xiàn)?，F(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速，功率組件切換頻率加快許多，提升了驅(qū)動 電機的性能。微處理機速度亦越來越快，可實現(xiàn)將交流電機控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機在兩軸電流分量，可達(dá)到類似交流電機的控制并有與直流電機相當(dāng)?shù)男阅堋o刷直流電機即是以電子方式控制交流電機換相，得到類似直流電機特性且結(jié)構(gòu)上優(yōu)于直流電機的一種電機。 電機的基本原理 稀土永磁無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu) 稀土永磁無刷直流電動機的基本構(gòu)成包括電動機基體、開關(guān)電路、位置傳感器三部分，如圖 所示。 圖 成 (1)電機基體 稀土永磁電動機基體是由帶有電樞繞組的定子和永磁轉(zhuǎn)子組成。常用的有三種結(jié)構(gòu)形式 :轉(zhuǎn)子鐵心外圓粘貼瓦片形稀土永磁體 。轉(zhuǎn)子鐵心中嵌入矩形板狀稀直流電源 開關(guān)電路 電動機 位置傳感器 5 土永磁體 :轉(zhuǎn)子外套上一個整體粘結(jié)稀土磁環(huán)的環(huán)形永磁體。還有一種外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，即帶有稀土永磁極的轉(zhuǎn)子在外，嵌有繞組的定子在里。電機運行時，外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 (2)開關(guān)電路 開關(guān)電路由逆變器和驅(qū)動電路組成。逆變器 將直流電機換成交流電向電動機供電，其輸出頻率受制于轉(zhuǎn)子位置信號，逆變器 主 要 有橋式和非橋式兩種。電樞繞組與逆變器聯(lián)接形式多種多樣，但應(yīng)用最廣泛的是三相星形 六狀態(tài)。驅(qū)動電路將控制電路的輸出信號進行功率放大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通與關(guān)斷的驅(qū)動信號。 (3)轉(zhuǎn)子位置傳感器 轉(zhuǎn)子位置傳感器是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于電樞繞組軸線的位置，向控制器提供位置信號的一種裝置。它由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電動機同軸，以跟蹤電機本體轉(zhuǎn)子位置 。其定子固定于電機本體定子或端蓋，以感應(yīng)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號。 電機的基本工作原理 一般永磁直流電動機的定子由永久磁鋼組成，其主要作用是在電動機氣隙中產(chǎn)生磁場，其轉(zhuǎn)子 電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場，由于電刷的換相作用，使得這兩個磁場的方向 在直流電動機的運行過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電動機不停地運轉(zhuǎn)。直流無刷電動機為了實現(xiàn)無刷換相，首先要求把一般直流電動機的電樞繞組放在定子上，把永久磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動機的結(jié)構(gòu)正好相反，而且還要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同組成換相裝置，使得直流無刷電動機在運行過程中由定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永久磁場，在空間中始終保持在 90176。 左右的電角度，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 無刷直流電動機按驅(qū)動方式可以分為半橋驅(qū)動和全橋驅(qū)動，按繞組接法又可分為星形連接 和角形連接。不同的繞組接法和驅(qū)動方式的選擇將會使電動機產(chǎn)生不同的性能并且成本也不同，主要從以下三個方面來進行分析 : (1)繞組利用率 無刷直流電動機的繞組是斷續(xù)通電的，適當(dāng)?shù)奶岣呃@組通電利用率將可以使 6 同時通電導(dǎo)體數(shù)增加，使電阻下降，提高效率。從這個角度來看，三相比四相好，四相比五相好，全橋比半橋好。 (2)轉(zhuǎn)矩的波動 無刷直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩波動比普通直流電動機大，因此希望盡量減小轉(zhuǎn)矩波動。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的波動越小，全橋驅(qū)動比半橋驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的波動小。 (3)電路成本 相數(shù)越多，驅(qū)動電路所使用的開關(guān)管越多， 成本越高，全橋驅(qū)動比半橋驅(qū)動所使用的開關(guān)管多一倍，因此成本要高。多相電動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。 綜合上述分析，三相電機星形連接全橋驅(qū)動方式綜合性能最好，應(yīng)用最多，本系統(tǒng)即是選擇的這種控制方式，下面介紹三相無刷直流電動機星形連接全橋驅(qū)動的基本原理。 三相無刷直流電機星形連接全橋驅(qū)動原理 無刷直流電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)的影響，在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。無刷直流電機控制器包括電源部分和控制部分，如圖 所示。電源部分提供三相電源給電機 ，控制部分則按照 需求轉(zhuǎn)換電源頻率。電源部分可以直接以直流電輸入 ，送入電機線圈前須先將直流電壓由逆變器 (inverter)轉(zhuǎn)成三相電壓來驅(qū)動電機。逆變器一般由六個功率晶體管，分為上橋臂和下橋臂，連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關(guān)?？刂撇糠謩t提供 PWM脈沖寬度調(diào)制信號決定功率晶體管開關(guān)頻率及逆變器換相的時機。對于無刷直流電機，當(dāng)負(fù)載變動時，一般希望速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會有太大的變動，所以電機內(nèi)部裝有霍爾傳感器 (hallsensor)，作為速度的閉回路控制，同時也作為相序控制的依據(jù)。 電機轉(zhuǎn)動由霍爾傳感器感 應(yīng)到的電機轉(zhuǎn)子所在位置，決定開啟或關(guān)閉逆變器中功率晶體管的順序來控制，如圖 ，逆變器中的 AH, BH, CH(上橋臂功率晶體管 )及 AL, BL, CL(下橋臂功率晶體管 )，使電流依序流經(jīng)電機線圈，產(chǎn)生順向或逆向旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的磁場相互作用，使電機順向或逆向轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到霍爾傳感器感應(yīng)出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)，電機就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。功率晶體管的開啟方法舉 7 例如下 :AH, BL 一組 → AH, CL 一組 → BH, CL 一組 → BH, AL 一組 → CH, AL 一 組 →CH, BL 一組，但不能使 AH, AL 或 BH, BL 或 CH, CL，即同相上下橋臂同時導(dǎo)通。此外，因為電子零件總有開關(guān)的響應(yīng)時間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進去，否則當(dāng)上臂 (或下臂 )尚未完全關(guān)閉，下臂 (或上臂 )就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。設(shè)電機轉(zhuǎn)子位置傳感器采集的位置信號為 Ha, Hb, He，分別對應(yīng)于逆變器的 A相、 B 相、 C相，則當(dāng)前位置與下一位置電子開關(guān)導(dǎo)通相的對應(yīng)關(guān)系如表 所示。 在電機轉(zhuǎn)動時，控制部分會根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的速度決定功率管的導(dǎo)通時間 。若系統(tǒng)要求加速，則增長功率管導(dǎo)通的時間，若要求減速，則縮短功率管導(dǎo)通的時間，此部分工作由 PWM 脈寬調(diào)制信號控制。 圖 圖 表 2. 1霍爾位置信號與換相的關(guān)系 8 正向 當(dāng)前位置（ Ha,Hb,Hc） 下一位置導(dǎo)通相 100 AH,CL 110 BH,CL 010 BH,AL 011 CH,AL 001 CH,BL 101 AH,BL 反向 當(dāng)前位置（ Ha,Hb,Hc） 下一位置導(dǎo)通相 001 CH,AL 011 CH,BL 010 AH,BL 110 AH,CL 100 BH,CL 101 BH,AL 電機的特性分析 電機的運行特性分析 電動機是一種輸入電功率、輸出機械功率的原動機械，因此我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨電壓、負(fù)載變化的規(guī)律。據(jù)此，電動機的運行特性可分為 :起動特性、電動運行特性、機械特性及調(diào)速特性。對于無刷直流電機，其電勢平衡方程式為 : ac p ac pU E I r U? ? ? ? () 式中 U —— 電源電壓 (V)。 E —— 電樞繞組反電勢 (V)。 acpI —— 平均電樞電流 (A)。 acpr —— 電樞繞組的平均電阻 。 U? —— 功率器件的飽和管壓降 (V)。 對于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反電勢均可表示為 : eE K n?? () 式中 n —— 電動機轉(zhuǎn)速 ( minr )。 eK —— 反電勢系數(shù) ( minVr ) 。 由式 , 可知 9 a cp a cpeeU U I rEn KK? ? ??? () 在轉(zhuǎn)速不變時，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為 : 0lT T T?? 式中 T —— 電磁轉(zhuǎn)矩 (N m)。 lT —— 輸出轉(zhuǎn)矩 (N m)。 0T —— 摩擦轉(zhuǎn)矩 (N m)。 這里 T acpT K I? () TK — — 轉(zhuǎn)矩系數(shù) (NmA? )。 在轉(zhuǎn)速變動情況下，則有 0l dwT T T J dt? ? ? () 式中系數(shù) : J —— 轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量 ( 2N mS?? )。 dwdt —— 轉(zhuǎn)子的機械角加速度 ( 2radS )。 下面從這些 基本公式出發(fā)，來討論無刷直流電動機的各種運行特性。 (1)起動特性 由式 , , ，電動機在起動時，由于反電勢為零，因此電樞電流 (即起動電流 )為 n acpUUI r??? () 其值可為正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍。所以起動電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動機可以很快起動，并能帶負(fù)載直接起動。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電勢 E增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速力矩也減小，最后進入正常工作狀態(tài)。 (2)電動機運行特性 10 在電動運行狀態(tài)下， 6 只開關(guān)管 任意時刻只有 2只開關(guān)管導(dǎo)通，分別屬于上橋臂和下橋臂。 圖 由圖 的運行等效電路圖可得，在電動運行時 AH 管和 CL管導(dǎo)通時通電回路的回路電壓方程如下 : A B A B Ad A A A A A B B B B A B B Bd i d i d i d i d iU e i R L M i R M L L ed t d t d t d t d t? ? ? ? ? ? ? ? ? () 式中 Ae , Be —— 相電勢，電動運行最大幅 2UE? AR , BR —— 相電阻， ABRRR??。 AL , BL —— 相電感， ABLLL?? 。 ABM , BAM —— 兩相互感， AB BAM M M??。 dU —— 蓄電池電壓 。 AL , BL —— 相電流 。 設(shè) ABI I I? ?? ，上式可改寫為 : 1( ) [ ( ) ]2i d A BdiL M R U e edt? ? ? ? ? () 在電動運行時，換相前電路電流為零，換相后于 1 [ ( )] 02d A BU e e? ? ?。由于R 很小，可 以忽略，故在電路接通后過渡過程結(jié)束前， i 正向增加，電路工作在吸收電功率狀態(tài)，吸收的電功率為 : I diPU? (2. 9) 對 AH 管和 CL 管進行脈寬調(diào)制，改變占空比，就可控制電流 i 的平均值，從而控制平均轉(zhuǎn)矩。 11 機械特性和調(diào)速特性分析 機械特性是指外加電源電壓恒定時，電動機轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系 。由式 , 可知，式 等號右邊的第一項是常數(shù) (當(dāng)不計△ U 的變化和電樞反應(yīng)的影響時 )。所以電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減小而線性增加。當(dāng)速度為零時，即為起動電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)式 右邊兩項相等時，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。實際上，由于電動機損耗中可變部分及電樞反應(yīng)的影響，輸出轉(zhuǎn)矩稍稍偏離直線變化。又因為功率晶體管的飽和管壓降隨著集電極電流的變化而變化，在基極電流不變時，功率晶體管的飽和壓降和集電極電流之間成正比的關(guān)系。所以，隨著轉(zhuǎn)速的減小，電動機的反電勢也減小，電樞電流增加， AU 增大，到一定值以后，增加較快。所以其機械特性是在接近堵轉(zhuǎn) (即轉(zhuǎn)速很低 )時，加快下跌。 Eacp acp acpnKUUI rr???? () ()ET a c p T a c p a c pnKUUT K I K rr??? ? ? () 若假定外加直流電壓一定，減小電機負(fù)載，轉(zhuǎn)速升高，逆變器的觸發(fā)頻率也會提高，同時反電勢增加，電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩也減小。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時，電機就維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運行。如果負(fù)載不變 ，提高外加直流電壓，則轉(zhuǎn)速升高，逆變器的頻率提高，反電勢增大，使電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩又呈現(xiàn)減小趨勢，這樣就使電機維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運行。由此可見，由于無刷直流電動機的自同步性，其調(diào)速方法與有刷直流電動機非常相似，可通過調(diào)節(jié)直流電壓來實現(xiàn)。又從式 可見，改變電源電壓，可以很容易地改變輸出轉(zhuǎn)矩 (在同一轉(zhuǎn)速下 )或 (在同一負(fù)載下 )。所以在電子換相線路及其它控制線路保持不變的情況下，無刷直流電動機調(diào)速性能很好，可以利用改變電壓來實現(xiàn)平滑的調(diào)速。 其他特性分析 無刷直流電機的基本物理量有電磁轉(zhuǎn)矩、電 樞電流、反電動勢和轉(zhuǎn)速等。這些物理量的表達(dá)式與電機氣隙磁場分布、繞組形式有十分密切的關(guān)系。對于稀土 12 永磁無刷直流電機，其氣隙磁場波形可以為方波，也可以是正弦波或者梯形波，本文主要研究方波無刷直流電機的特性及其控制策略，其