永磁无刷直流电动机控制系统研究

永磁无刷直流电动机控制系统的研究摘要无刷直流电动机是集材料科学、电力电子技术、微电子技术和电机理论等多学科为一体的机电一体化产品，在诸多领域有着广阔的应用前景。随着大功率开关器件集成电路及高性能的磁性材料的进步，采用电子换向原理工作的永磁无刷直流电机取得了长足的发展。永磁无刷直流电机既有直流电机的结构简单，运行可靠。又具备交流电机运行效率高，无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，在当今国民经济的各个领域里的应用日益普及。维护方便的一系列优点永磁无刷直流电动机发展概况永磁无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。现阶段，虽然各种交流电动机同直流电动机在传动应用中占主导地位，但是永磁无刷直流电动机正受到普遍的关注。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平提高和现代化的生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具备精度高、速度快、效率高等特点，永磁无刷直流电机的应用因此而迅速增长。现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。无刷直流电机转子采用永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行；对于恒功率运行，无刷直流电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁大，可产生很大的气隙磁通，这样可以大大缩小转子半径，减小转子的转动惯量，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如数控机床、机器人等应用中，无刷直流电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性。目前无刷直流电机的应用范围已遍及国民经济的各个领域，并日趋广泛，特别是在家用电器、电动汽车、航空航天等领域已得到大量应用。一．永磁无刷直流电动机与永磁有刷直流电动机的比较表1-1永磁无刷直流电动机与永磁有刷直流动机的比较项目永磁电无刷直流电动机永磁电有刷直流电动机换向借助转自子位置传感器实现电子换向由电刷和换向器进行机械换向维护由于没有电刷和换向器，很少需要维护需要周期性维护寿命比较长比较短机械（速度/力矩）特性平（硬）在负载条件下能在所有速度上运行中等平（中等硬）。在较高速度上运行时，电刷摩擦增加，有用力矩减小效率由于没有电刷压降，所以效率高中等输出功率/外形尺寸之比高由于电枢绕组的设置在与机壳相连的定子上，所以容易散热。这种优异的热传导特性一定程度上允许减小电动机的尺寸，所以输出功率/外形尺寸之比高中等/低。电枢产生的热量消散在气隙内，这样就增加了气隙温度，从而限制了输出功率/外形尺寸之比转自惯量转自惯量低，因为永磁体设置在转子上，改善了动态响应转自惯量高，限制了动态特性速度范围比较高。没有电刷/换向器给予的机械限制比较低，存在着电刷给予的机械限制电气噪声低电刷的电弧将对附近的设备产生电磁干扰制造价格比较高低控制复杂和价格贵简单和价格不贵控制要求为了使电动机运转必须要有控制器，但同样的控制器可用于变速控制对于一个固定的速度而言，不需要控制器；有变速要求的时候才需要控制器二．永磁无刷直流电动机系统的组成及组成框图2.1电机本体无刷直流电动机最初的设计思想还是来自普通的有刷直流电动机，不同的地方是将直流电动机的定子、转子的位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。原直流电动机的电刷以及机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。所以无刷直流电动机的电机本体实际上就是一种永磁同步电机。由于无刷直流电动机的电机本体是永磁电机，所以无刷直流电动机亦称为永磁无刷直流电动机。定子的结构、普通同步电动机和感应电动机相同，铁心中嵌有着多相对称绕组。绕组可以接成星形或三角形，并且分别与逆变器中的各开关管相连接，三相无刷直流电动机最为常见。2.2逆变器目前，永磁无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主电路已经有集成的功率模块（PIC）和智能功率模块（IPM），选用这些模块主要是可以提高系统的可靠性。永磁无刷直流电动机的定子绕组的相数可以有着不同的选择，绕组的连接方式也同样有着星形和角型之分，而逆变器又有着半桥型和全桥型两种。所以不同的组合使得电动机产生不同的性能和成本。综合以下三个指标可以有助于我们做出正确的选择：（1）绕组利用率。与普通直流电动机不同，永磁无刷直流电动机的绕组是断续通电的。可以适当地提高绕组利用率使得同时通电的导体数增加，从而电阻下降，效率提高。从这个角度来看的话，三相绕组优胜于四相和五相绕组。（2）转矩脉动。永磁无刷直流电动机的输出转矩脉动要比普通直流电动机的转矩脉动大。一般是相数越多，转矩的脉动越小；采用桥式主电路会比采用非桥式主电路的转矩脉动小。（3）电路成本。相数越多，逆变器电路使用的开关就管越多，成本就越高。桥式主电路所用的开关管相比半桥式要多一倍，成本就要高；多相电动机的逆变器结构较为复杂，成本亦高。因此，目前主要以星形连接三相桥式主电路应用最为多见。2.3位置检测器位置检测器的作用主要是用于检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，从而为逆变器提供一个正确的换相信息。位置检测方式包括有位置传感器和无位置传感器两种检测方式。转子位置传感器由定子和转子两部分组成，其转子同电机本体同轴，以跟踪电机本体转子磁极的位置；其定子是固定在电机本体定子或端盖上，以便检测和输出转子位置信号。转子位置传感器的种类主要包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。在永磁无刷直流电动机系统中安装机械式位置传感器可以解决电机转子位置的检测问题。但是由于位置传感器的存在增加了其系统的成本和体积，降低了系统可靠性，从而限制了永磁无刷直流电动机的应用范围，对电机的制造工艺亦带来了不利的影响。因此，国内外对永磁无刷直流电动机在无位置运行方式上给予了高度重视。无机械式位置传感器转子位置检测主要是通过检测和计算同转子位置有关的物理量来间接地获得转子位置信息，主要有反电动势的检测法、续流二极管工作状态的检测法、定子三次谐波的检测法和瞬时电压方程法等。2.4控制器控制器是永磁无刷直流电动机正常运行并实现各调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：（1）对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行一个逻辑综合，来为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，从而实现电机的正反转以及停车控制。（2）产生PWM调制信号，使得电机的电压随着给定速度信号来自动变化，从而实现电机开环调速。（3）对电动机实行速度闭环调节和电流闭环调节，从而使得系统具有良好的动态和静态性能。（4）实现短路、过流、过电压和欠电压等这样的一个故障保护电路。2.5永磁无刷直流电动机控制系统组成框图永磁无刷直流电动机控制系统框图,如图2-1所示:图2-1电动机驱动控制框图（1）微控制器其主要功能是按照电动机旋转方向的要求以及霍尔转子位置传感器的三个输出信号，将它们处理成为功率驱动单元的六个功率开关器件所要求的驱动顺序。微控制器的另一个重要作用就是根据电压、电流和转速等来反馈模拟信号，以及随机发出来的制动信号，经过AD变换以及必要的运算后，借助内置的时钟信号从而产生一个带有上述的各种信息的脉宽调制信号。（2）功率驱动单元主要有功率开关器件组成的三相全桥逆变电路和自举电路。自举电路是有分立器件而构成的，当然也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路。（3）位置传感器位置传感器在永磁无刷直流电动机中起到测定转子磁极位置的作用，同时为逻辑开关电路提供正确的换相信息。（4）周边辅助、保护电路主要包电流采样电路、电压比较电路、过电流保护电路、调速信号和制动信号等输入电路。三．永磁无刷直流电动机的结构及基本工作原理3.1永磁无刷直流电动机转矩分析电机本体的电枢绕组是三相星型连接，其位置传感器与电机转子同轴，控制电路通过对位置信号进行逻辑变换后从而产生控制信号，控制动信号再经驱动电路隔离放大后来控制逆变器的功率开关管，从而使电机的各相绕组按照一定的顺序工作。图3-1无刷直流电动机工作原理示意图如图3-1所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使得T1、T6导通，A、B两相绕组得电，电流从电源的正极流出，经过T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源负极，此时定转子磁场产生相互作用，使得电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过60度时，到达图b所示位置，转子位置传感器输出的信号经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使得T1、T2导通，即A、C两相绕组得电，电流从电源的正极流出，经过T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源的负极。此时定转子磁场产生相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。转子在空间每转过60度时，逆变器开关就会发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。在此期间，转子一直受到顺时针方向的电磁转矩的作用，沿着顺时针方向连续旋转。转子在空间每转过60度，定子绕组就会进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就会发生一次跃变。所以，电机有6种磁状态，每一种状态都有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120度。永磁无刷直流电动机的这种工作方式就叫两相导通星型三相六状态，这亦是永磁无刷直流电动机最为常用的一种工作方式。3.2永磁无刷直流电动机与输出开关管换流信永磁无刷直流电动机的位置是通过三个在空间上相隔120度的霍尔位置传感器进行检测，如果位于霍尔传感器位置上的磁场的极性发生变化时，那么这时传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各相差120度，因此在这三个检测元件的输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图3-2所示，以信号A为例，A相位置宽度为180角：在0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，（此时下部可供导通的管子为T4、T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度—120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是为B相导电作准备；而在120度—180度时，由于每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断（T1=0），T2仍然导通（B相开始进入导电期），此时可知，T1关断，T5不能开通（防止桥臂直通），则此时只能开通T3，所以T3信号此时间段为1。其他时间段的开关管导通情况与此类似。理论上来说，只要保证这三个位置传感器在空间上互差120度，开关管的换流时刻是可以推算出来的。然而，将控制电路简化，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点（r0=00）上.如是在r0=00的控制条件下，A相绕组开始通电的时刻（即该相反电势相位30度位置）恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。同理可知，其他开关管的导通时刻亦可以按照此方法确定。本次测试选用的是三相无刷永磁直流电动机，其额定电压UH=36V,电枢额定电流IaH=8.5A,电枢峰值电流IaP15A,额定转速nH=350r/min,额定功率PH=250W。图3-2永磁无刷电动机位置检测及开关管驱动信号表3-2永磁无刷电动机直流通电控制方式开关切换表旋转方向位置传感器逆变桥开关管驱动信号ABCT1T2T3T4T5T6正转001000011010001100011000110100110000101100001110011000反转001011000010100001011110000100000110101001100110000011四．永磁无刷直流电动机的运行特性4.1机械特性永磁无刷直流电动机的机械特性：2222