無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理與應(yīng)用

無(wú)刷電流暢機(jī)也稱為方波永興同步機(jī)，是指在申請(qǐng)系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)小容量電壓電量的自動(dòng)控制頻率同步機(jī)。方波電流的輸入被放置在一起。它不僅具有良好的電機(jī)性能，而且無(wú)機(jī)械更換裝置。電磁干燥小，維護(hù)要求低，可靠性好，無(wú)需電磁干（旋轉(zhuǎn)元件由永久磁鋼組成），效率相對(duì)較高。近年來(lái)，隨著電磁干燥材料和新磁強(qiáng)控制理論的快速發(fā)展，其優(yōu)越性日益明顯，已被廣泛使用。1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動(dòng)機(jī)的本體以外,還有由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開(kāi)關(guān)共同構(gòu)成的換相裝置,使得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng),在空間始終保持在(π/2)rad左右的電角度,產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn).無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置,為電子開(kāi)關(guān)控制電路提供正確的換相信息.電子開(kāi)關(guān)線路用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組通電的時(shí)刻、順序和時(shí)間.當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí),該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn).無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理如圖1所示.圖2是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主回路.逆變器由自關(guān)斷功率器件和續(xù)流二極管構(gòu)成,三相定子繞組為Y型連接,采用兩兩通電方式,即每一個(gè)瞬間有2個(gè)功率管導(dǎo)通,每隔1/6周期(60°電角度)換相一次,每次換相1個(gè)功率管,每一功率管導(dǎo)通120°電角度.功率管的導(dǎo)通順序是:VT6VT1→VT1VT2→VT2VT3→VT3VT4→VT4VT5→VT5VT6.在方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中,定子繞組的反電勢(shì)波形是正負(fù)交變的梯形波,如圖3所示.同一相(例如A相)的電動(dòng)勢(shì)eA和電流iA波形圖,如圖4所示.2spmw的基本原理無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用瓦形磁鋼,經(jīng)專(zhuān)門(mén)的磁路設(shè)計(jì),可獲得梯形波的氣隙磁場(chǎng),定子采用集中整距繞組,因而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也是梯形波的.由逆變器提供與電動(dòng)勢(shì)嚴(yán)格同相的方波電流.由于各相電流都是方形波,逆變器只須按直流PWM進(jìn)行控制,比SPMW逆變器簡(jiǎn)單得多,這是設(shè)計(jì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(方波永磁同步電機(jī))的初衷.無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電壓方程為:式中,La,Lb,Lc為三相繞組的自感,La=Lb=Lc;Lab為A相和B相繞組的互感,其它亦然,Lab=Lba=Lac=Lca=Lbc=Lcb=M;P為微分算子;ea,eb,ec為三相繞組感生電動(dòng)勢(shì).設(shè)Ip為方波電流的峰值;Ep為梯形波電動(dòng)勢(shì)的峰值.對(duì)于采用兩相導(dǎo)通三相六拍運(yùn)行方式的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)而言,同時(shí)只有兩相導(dǎo)通,從逆變器直流側(cè)看,為兩相繞組串聯(lián),則電磁功率為Pm=2EpIp.忽略梯形波兩邊,電磁轉(zhuǎn)矩為式中,Ψp為梯形波勵(lì)磁鏈的峰值,是恒定值;pn為極對(duì)數(shù).由此可見(jiàn),無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流Ip成正比,和直流電機(jī)相當(dāng),這樣,其控制系統(tǒng)也和直流調(diào)速系統(tǒng)一樣.3電機(jī)端電勢(shì)測(cè)量原理無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置傳感器控制是指取消傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器,而通過(guò)測(cè)取電動(dòng)機(jī)的某些物理量,間接得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào),用此信號(hào)實(shí)現(xiàn)換流,并進(jìn)一步得到轉(zhuǎn)速的反饋值,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器閉環(huán)控制.目前,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置傳感器控制較為典型的控制方法有:反電勢(shì)法、定子三次諧波法、電流通路監(jiān)視法、渦流效應(yīng)法、磁通估計(jì)法等.本系統(tǒng)采用反電勢(shì)法.由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組反電勢(shì)波形直接反映轉(zhuǎn)子的位置,因此可以利用繞組反電勢(shì)來(lái)獲取轉(zhuǎn)子的位置信息.對(duì)于采用兩相導(dǎo)通三相六拍運(yùn)行方式的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)而言,三相繞組在任意時(shí)刻總有一相處于斷開(kāi)狀態(tài),檢測(cè)斷開(kāi)相的反電勢(shì)信號(hào),當(dāng)其過(guò)零點(diǎn)時(shí),轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組重合,再經(jīng)過(guò)30°電角度依照開(kāi)通順序進(jìn)行換相.故只要檢測(cè)到各相反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn),即可獲知轉(zhuǎn)子的若干關(guān)鍵位置,這就是反電勢(shì)法的基本原理.但是,繞組反電勢(shì)是難以直接測(cè)取的物理量,因此,通常的做法是通過(guò)檢測(cè)電機(jī)端電壓信號(hào),進(jìn)行比較來(lái)間接獲取繞組反電勢(shì)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn),從而得到轉(zhuǎn)子的位置信號(hào),故這種方法又稱為端電壓法.圖5為電機(jī)一相繞組的電氣模型示意圖,圖中L為相電感,R為相電阻,E為反電勢(shì),Vn為三相繞組星形連接中點(diǎn)對(duì)地的電壓,V為端電壓.根據(jù)圖5所示的模型可得到下式:對(duì)于三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),每次只有兩相通電,兩相通電電流方向相反,同時(shí)另一相斷電,相電流為零.因此,利用這個(gè)特點(diǎn),將x分別等于A,B,C代入式(1),列出A,B,C三相的電壓方程,并將3個(gè)方程相加,使RIx項(xiàng)和LdIx/dt項(xiàng)相抵消,可以得到:由圖3可見(jiàn),無(wú)論哪個(gè)相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn),都存在Ea+Eb+Ec=0的關(guān)系,因此,在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)有:對(duì)于斷電的那一相,Ix=0,因此根據(jù)式(1),其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:所以,只要測(cè)量出各相的相電壓Va,Vb,Vc,根據(jù)式(3)計(jì)算出Vn,就可通過(guò)式(4)計(jì)算出任一斷電相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).通過(guò)判斷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的符號(hào)變化,來(lái)確定過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻.由于系統(tǒng)采用無(wú)位置傳感器控制,因此速度反饋信息只能夠通過(guò)對(duì)無(wú)位置傳感器控制方法檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信息加以處理來(lái)得到.其原理:根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)變化的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速,計(jì)算公式為(p為極對(duì)數(shù)):采用無(wú)位置傳感器控制方式,需要得到電機(jī)的反電勢(shì)信號(hào).當(dāng)電機(jī)在靜止或低速運(yùn)行時(shí),反電勢(shì)為零或太小,因而無(wú)法加以利用.所以需設(shè)計(jì)起動(dòng)電路.4控制并行并行并行并無(wú)實(shí)體而獨(dú)立的程序總線結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用16位定點(diǎn)TMS320LF2407ADSP.它采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)支持分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線.這樣的總線結(jié)構(gòu)使取指令、執(zhí)行指令、數(shù)據(jù)傳送和外設(shè)控制可以并行進(jìn)行,因此可以極大的提高工作速度.這也保證了指令系統(tǒng)中的大多數(shù)指令可以實(shí)現(xiàn)單指令多操作,即一條指令可以實(shí)現(xiàn)多種操作.5系統(tǒng)的組成5.1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的速度控制方案完成一個(gè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置傳感器控制,首先要得到轉(zhuǎn)子的位置以實(shí)現(xiàn)定子繞組的正確換相.只要轉(zhuǎn)子位置已知,就可以對(duì)定子磁通的大小加以控制.電流環(huán)采用PI控制,速度調(diào)節(jié)環(huán)采用PI控制,通過(guò)不斷地檢測(cè)電動(dòng)機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速,并與給定轉(zhuǎn)速相比較,可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制.綜合以上因素,可以有圖6所示無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的速度控制方案.5.2電流反饋輸出電路為了計(jì)算不通電相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),需要測(cè)量3個(gè)相電壓.可采用廉價(jià)的分壓電阻和濾波電容組成相電壓測(cè)量電路.各相電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后,連接到TMS320LF2407A的ADC輸入端ADCIN01～AD-CIN03.采用兩相導(dǎo)通三相六拍運(yùn)行方式的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),每次只有兩相通電,其中一相正向通電,另一相反向通電,形成1個(gè)回路,因此每次只需控制1個(gè)電流.用電阻作為廉價(jià)的電流傳感器,將其安放在電源對(duì)地端,就可方便地實(shí)現(xiàn)電流反饋.電流反饋輸出經(jīng)濾波放大電路連接到TMS320LF2407A的ADC輸入端ADCIN00,在每個(gè)PWM周期對(duì)電流進(jìn)行一次采樣,對(duì)速度(PWM占空比)進(jìn)行控制.TMS320LF2407ADSP通過(guò)PWM1～PWM6引腳經(jīng)1個(gè)反相驅(qū)動(dòng)電路連接到6個(gè)開(kāi)關(guān)管,實(shí)現(xiàn)定頻PWM和換相控制.5.3設(shè)計(jì)參數(shù)控制和運(yùn)行過(guò)程整個(gè)控制系統(tǒng)軟件由主程序和中斷服務(wù)子程序所組成.主程序主要完成事件管理系統(tǒng)的初始化、變量的初始化等.中斷程序主要包括捕獲中斷、ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷、PDPINT中斷等幾個(gè)部分.捕獲中斷主要用于得到當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置,并調(diào)整輸出的相序.ADC中斷在每次PWM周期發(fā)生后一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生,可以通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)值經(jīng)過(guò)計(jì)算得到當(dāng)前的相電流,進(jìn)行電流環(huán)的調(diào)節(jié).在功率器件發(fā)