1、无刷直流电机驱动控制

无刷直流电机驱动JamesP.Johnson,Caterpiller公司本章的题目是无刷直流电动机及其驱动。无刷直流电动机BLDC）的运行仿效了有刷并励直流电动机或是永磁直流电动机的运行。通过将原直流电动机的定子、转子内外对调—变成采用包含电枢绕组的交流定子和产生磁场的转子使得该仿效得以可能。正如本章中要进一步讨论的，输入到BLDC定子绕组中的交流电流必须与转子位置同步更变，以便保持磁场定向，或优化定子电流与转子磁通的相互作用，类似于有刷直流电动机中换向器、电刷对绕组的作用。该原理的实际运用只能在开关电子学新发展的今天方可出现。BLDC电机控制是今天世界上发展最快的运动控制技术。可以预见，随着BLDC的优点愈益被大家所熟知且燃油成本持续增加，BLDC必然会进一步广泛运用。2018-01-3023.1BLDC基本原理在众文献中无刷直流电动机有许多定义。NEMA标准《运动/定位控制电动机和控制》中对“无刷直流电动机”的定义是：“无刷直流电动机是具有永久磁铁转子并具有转轴位置监测来实施电子换向的旋转自同步电机。不论其驱动电子装置是否与电动机集成在一起还是彼此分离，只要满足这一定义均为所指。”图23.1无刷直流电机构形2018-01-31若干类型的电机和驱动被归类于无刷直流电机，它们包括：1永磁同步电机PMSMs）；2梯形反电势(back-EMF表面安装磁铁无刷直流电机；3正弦形表面安装磁铁无刷直流电机；4内嵌式磁铁无刷直流电机；5电机与驱动装置组合式无刷直流电机；6轴向磁通无刷直流电机。图23.1给出了几种较常见的无刷直流电机的构形图。永磁同步电机反电势是正弦形的，其绕组如同其他交流电机一样通常不是满距，或是接近满距的集中式绕组。许多无刷直流电机的绕组也是这样。表面安装式磁铁无刷直流电机的反电势波形通常取决于磁铁的磁场取向。要获得正弦形反电势的一般方法是采用磁铁的并联式磁化方向。而梯形反电势则采用径向磁化方向。最一般的无刷直流电机形式是4极，类梯形反电势波形的表面安装磁铁电机。23.2控制原理和控制策略一般的自同步无刷直流电动机逆变器和驱动的结构图如图23.2所示。图中所示之驱动系统通常较多用于电压源逆变器VSI）。电压源逆变器的对应是电流源逆变器CSI）。VSI之所以较为广泛运用是由于其成本、重量、动态性能，以及易于控制均优于CSI[1]。两种逆变器重量和成本的差异是由于VSI采用电容器进行直流耦合，而CSI须要在整流器和逆变器之间接有笨重的电抗器。VSI在动态响应能力上也与CSI不同。由于大的电抗器的作用就是满足CSI作为恒流源的较大的换向重叠角的需要，防止电机绕组中电流的快速变化，抑制电机的高速伺服运行。这就会加大驱动系统中阻尼器的尺寸。对于CSI所期望得到的恒流控制和恒转矩控制性能，在VSI中，也可通过其内部的电流控制环中滞后型电流控制而近似得到。2018-2-01术语“自同步”指的是为了定子相电流脉冲与电机各相反电势一致所需正确的各管导通顺序，驱动电路对即时转子位置信息的要求。图23.2基本的无刷直流电动机驱动图23.3是无刷直流电动机一经典的位置和转速控制方案的方框图。如果仅仅期望转速控制，可以将位置控制器和位置反馈电路去掉。通常在高性能的位置控制器中位置和转速传感器都是需要的。如果仅有位置传感器而没有转速传感器，那就要求检测位置信号的差异，在模拟系统中就要导致噪声的放大；而在数字系统中这不是问题。对于位置和转速控制的无刷直流电动机，位置传感器或者是其他获取转子位置信息的元件是一定要的。图23.3经典转速和位置控制无刷直流电动机系统方框图许多高性能的应用场合为了转矩控制还需要电流反馈[1]。至少，需要汇线电流反馈来防止电机和驱动系统过流。当添加一内电流闭环控制就能实现非常快的电流源逆变器那样的性能，而不需要直流耦合电抗器，它被称为电流调节电压源逆变器CRVSI）[1]。驱动中的直流电压调节也可由作用类似直流电源的可控整流器来实现，或者既可通过在变换器中将PWM信号同时加在上下开关，也可通过仅仅加在上开关或下开关来实现。2018-2-05采用仅通断下开关或仅通断上开关的PWM技术可减少开关损耗，而上下开关同时通断则正相反。然而，如果运用提前角技术，上下两只管开和关，则由于在一个相臂上导通的开关管与另一相臂上的续流二极管间存在闭合路径，该路径产生的电流会导致负转矩。不运用一个“斩波”开关来调节直流母线电压可在驱动系统中省去一个开关，但是采用直流调节开关，也仅有一只功率半导体器件承受PWM的较高的载波频率开关损耗。采用可控整流器来改变直流母线电压要求额外的控制测量，增加开关损耗、驱动系统的原初成本和输电线功率因数控制的复杂性。当该驱动系统由公用电站供电，通常在整流器后要装一电抗器来降低公共电网的电流谐波含量。电抗器与直流耦合电容器共同工作形成一低通LC或比例-积分滤波器CLC），该结构的截止频率足够低，可于一极低频率处封锁PWM的载波频率以及较低频率分量如果有的话），诸如在调速驱动中。直流耦合电容给逆变器的高频纹波电流提供了通路，而电抗器则封锁了较高的频率，让平均电流通过。如果驱动系统由直流电源供电，也可以用一滤波器来减少流过电源的电磁骚扰。如果没有采用PWM，单独电流控制对于非调节直流母线的高性能转矩控制也是有效的。图23.3中的控制器方框“位置控制器”和“速度控制器”可以是如何型式的传统控制器，如比例-积分控制器，或是一较为先进的控制器。“电流控制器和换向定序器”向三相逆变器提供适当的定序栅极信号，而将传感器所测电流与参照电流相比较，以通过滞后电流斩波）或由一电压源PWM）型电流控制来维持电流控制。滞后电流控制可以是恒频滞后控制、频段滞后控制，或电平滞后控制。电流控制可用来产生正弦电流波形、限制峰值，或产生方波电流波形，尤其工作在较低频率下的电机运行在电机性能曲线的转矩限制区域。运用位置信息，换向定序器就使得逆变器实现“定子换向”，其作用如同直流电机中的机械换向器[2]。2018-2-06参考文献3中给出开关的详细说明。标准设置无刷电动机的换向角以使电动机在转矩角曲线的峰值附近换向。就一台三角形联结或星形联结三相电动机来说，其换向发生在转矩角曲线峰值的前30º电角度或后30º电角度。当电机的转子位置在峰值前移动了30º电角度，于是换向传感器就使得相应的定子相通电，其绕组激励后使得转子迅速地移动到相对于下一转矩角曲线峰值的-30º电角度的位置。转矩曲线既可由线与线间联结的通电激励强迫转子转动，同时测量电机转矩时而得，也可通过施力于转轴，绕组加载，测量不同转子位置的转矩而得[3]。一台梯形反电势电机的这些曲线的实际形状也应是梯形的。然而，由于绕组构形、局部饱和、大部分饱和，以及漏磁的原因，梯形反电势）电机的反电势曲线和转矩角曲线的形状更接近于扁平峰顶的正弦形[4]。2018-2-08位置传感器通常既可以是一只3元件霍尔效应传感器，也可以是一只光学编码器。角度控制器是另一选择，它可让电流脉冲相对于转子位置作相位移动超前），允许电流脉冲在电流脉冲/相反电势基准线前接近完全建立，从而能够增加电机的转速范围。角度的提前是因绕组电气时间常数的要求。电流脉冲的建立需要一给定的时间值。在较高的转速下，要求在电流脉冲与反电势一致前电流脉冲建立时间短一点也还可以。这种形式运行的一个问题是其驱动或会“软”一些，例如在直流电机弱磁运行的场合。“软”特性驱动是那种具备与正常的硬特性驱动相比在同样给定负载变化下转速变化较大的转速/负载转矩特性的驱动。参考文献5中推断，若考虑系统是正弦系统永磁同步电动机），或仅仅考虑准方波驱动电流和梯形反电势电压波形的基波，在角度超前运行中所需要的反应功率要增加。23.3转矩的产生图23.4给出一台三相、4极、12槽、满距、表面安装磁极、梯形反电势无刷直流电机的剖面图，等值电路图和相应的波形图。图中的Vab，Vbc和Vca是线反电势，它们是由永久磁铁的径向磁通穿过气隙，以与转子转速成正比的速率切割定子线圈而产生的。波形Van，Vbn和Vcn是线对电机中性点的反电势，或相反电势电压，它们是由电机等值电路中的电压源来表示的。定子线圈按标准三相满距集中布置，从而相梯形反电势波形彼此相差120º电角度120ºe）。图23.4中所示电流脉冲发生方式是120º电角度通电，60º电角度断电，平均每相电流流通于每360º电气周期的三分之二时间，正向120º电角度，反向120º电角度。在一相各“通电”期间之间是60º电角度的“断电”时间，在此期间该相标记为“静默相”。“静默相”期间典型用于无刷直流电机的“无传感器控制”中对反电势进行观测来确定转子位置。图23.4三相、4极无刷直流电机剖面图，等值电路图和相应的波形图另一开关规则系统的可能性包括改变电流脉冲的闭锁时间，也就是改变脉冲的“通电”时间。闭锁时间理论上可以增加至180º电角度，然而，在一带有电感的实际电路中存在换向滞后，所以为换向的交搭，脉冲必须保持一些重叠余地通常不到15º电角度）。参考文献6中测定出通过系统地增加闭锁时间角，从低速时的120º电角度开始到高速时的180º电角度，在所有转速下都能获得最大转矩。要获得最大转矩/电流比下的驱动，就得要求线电流脉冲要被特定相的线-中性点反电势电压所交搭。由转矩产生的基本物理原理，即转矩=总作用力×力臂，可得出最大转矩输出，式中的作用力由转子磁铁产生的磁通与定子线圈中的电流相互作用而产生。由洛伦兹力方程式中N=每相每槽匝数I=线圈电流B=磁通密度矢量L=线圈边有效长在任意给定时间里都有两相通有直流电流。对于以相同方向流动的电流，一给定极性的径向磁化磁铁在圆周方向上足够宽，足以覆盖两相邻的槽，从而在两槽中的线圈上产生力，这些力相加就形成一极下的总电磁力。而电机总的力就是所有磁极下的力的总和。例如，对一台径向磁化磁铁的无刷直流电机，整距绕组，两相同时与方波激励相互作用，磁铁圆周方向的跨距差不多等于磁极极弧，则转矩可由下式给出[7]：式中Np=工作相的数目Nt=每相每槽匝数Nspp=每相每极槽数P=磁极数I=直流电流大小Bg=由磁铁给出的气隙径向磁密L=定子和转子重合部分的铁心长度R=转子外圆半径力臂长）对于一台特定的电机几何形状的最为精确的静态转矩轮廓，在电机制造前，是采用一有限元软件包中的数值方法来确定的。有限元方法用于现代计算机中，它需要冗长的时间来算得相对于只要求近似的手工计算要高度精确得多的解。无刷直流电机的有限元方法在本章稍后讨论。2018-2-0923.4优点和缺点本节的目的是清楚讨论永磁无刷直流电动机PM-BLDC）的优点、缺点和运行基本原理。也提出一些更为重要的性能特点。永磁无刷直流电动机给汽车工业和航空工业制造商们带来很多优点：1低噪声。PM–BLDC不需要机械电刷或滑环。这就从根本上消除了除了轴承、耦合以及负荷以外的所有机械噪声。从电磁角度，换向频率取决于电机的转速和电机的极数，其关系式为，式中ωe是电气换向）频率每相），单位为每秒电气弧度rad/s）；是转子机械频率，单位为每秒机械弧度rad/s）；P是电机的极数。2018-2-10在驱动变换器中换向所需的每一单独的半导体器件的开和关按电气频率的速率出现，即每一开关每电气周期开、关各一次。由于在逆变器中经常采用脉宽调制PWM）来控制母线电压的占空比，所以也得考虑PWM的载波频率的高低。在较小功率系统中，＜10kW,PWM的载波常常选择高于音频，即＞15kHz，从而PWM也就不因载波而产生噪声。如果工作于高载波频率，由占空比改变而产生的谐波在较高载波频率附近被调制，因而也是非音频的。甚至对于基波频带中的谐波，在无刷直流电动机中其磁致伸缩也只是产生微不足道的噪声。由于无刷直流电动机正常运行情况下不工作于磁饱和状态，而磁饱和是要引起磁致伸缩的象工作于饱和状态的开关磁阻电动机那样产生噪声。）。2高效率。永磁无刷直流电动机PM-BLDC）已显示出是目前可用的最高效率的电机[1，6]。1985年的一项研究参见参考文献