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IaP15A,额定转速nH=350r/min,额定功率PH=250W。
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
A
B
C
T1
T2
T3
T4
T5
T6
正转
0
0
1
0
0
0
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反转
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0
1
1
0
0
0
0
0
1
1
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:
US2UT2rIaUs2UT2r
2Te
CeCeCeCt2e
UT-开关器件的管压降
Ia-电枢电流
Ce-电机的电动势常数
-每级磁通量
可见永磁无刷直流电动机的机械特性和一般直流电动机的机械特性表达式相同,机械特性较硬。
如4-1图所示机械特性曲线簇是在不同的供电电压驱动下绘制的。
图4-1机械特性曲线簇
当转矩较大、转速较低时,这时流过开关管和电枢绕组的电流会很大,管压降会随着电流增大而增加较快,使在电枢绕组上的电压有所减小,因而图所示的机械特性曲线就会偏离直线,向下弯曲。
4.2调节特性
永磁无刷直流电动机的调节特性如图4-2所示
图4-2调节特性
调节特性的开始起动电压和斜率分别为:
由机械特性和调节特性可以看出,永磁无刷直流电动机和一般的直流电动机一样,具有良好的调速控制性能,可以通过调节电源电压从而实现无级调速。
但不能通过调节励磁来调速,因为永磁体的励磁磁场是不可调的。
4.3工作特性电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图4-3所示
图4-3工作特性
在输出额定转矩时,电机效率高、损耗低是永磁无刷直流电动机的重要特点之一
五.永磁无刷直流电动机控制系统的研究动向
目前,永磁无刷直流电机控制系统的研究主要集中在以下几个方面:
5.1无机械式转子位置传感器控制
转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部分了,其结构复杂成本还高,而且还降低了系统的可靠性和抗干扰能力,还占了不小的空间。
在很多的应用地方,比如空调器和计算机外设都需要无刷电动机以无转子位置传感器运行。
无转子位置传感器运行实际上就是没有机械传感器无转子位置运行,是通过电机的电压和电流来获取磁场的位置。
目前比较成熟的无转子位置传感器运行方式有:
5.1.1反电动势法——包括直接反电动势法和间接反电动势法
5.1.2定子三次谐波检测法
5.1.3续流二极管电流通路检测法
但以上的几种运行方式都存在其局限性,仍需要日后的改善。
5.2转矩脉动控制
5.2.1永磁无刷电机存在的一个固有的特点就是转矩脉动,尤其是随着电机的转速加快,换向导致转矩脉动加剧,平均转矩明显下降。
所以减小转矩脉动是提高无刷直流电动机性能的非常重要的一个方面。
5.3智能控制
随着目前信息技术和控制理论的发展,智能控制的应用时非常重要的一个发展方向。
就目前来说,专家系统、模糊逻辑控制和神经网络控制是三个最主要的理论和方法。
其中,模糊控制就是通过把一些模糊性的成熟经验和规则很好的融入到传动控制策略中来,现已成功地应用到许多方面。
随着永磁无刷直流电动机应用范围的越来越广,智能控制技术一定会受到更为广泛的重视。
六.永磁无刷直流电动机控制系统的发展和应用
1、产品向专用化、多样化方向发展
随着现在永磁无刷直流电动机的广泛应用,为了适应整机市场的不同需求,在产品的结构设计以及功能需求设计方面对其工艺技术也作出了更加专用化和多样化的要求。
例如:
拥有适应多种不同性能参数的永磁材料,表面粘接结构有瓦型、环型之分,以及拥有各种不同设计嵌入式内磁体结构等新的转子磁路结构的出现。
出现了目前各种外转子、轴向气隙<平面电机)、无齿槽结构电机等。
不管是采用了稀土永磁铁或者是氧体永磁的永磁无刷直流电动机,一般情况下永磁转子结构都是表面粘贴式。
近些年来,日本各知名家电厂商均在新一代的变频空调压缩机所用的永磁无刷直流电动机中,也都采用了各自的专利转子结构,目前嵌入式永磁转子结构已成为市场主流。
嵌入式永磁转子结构的电动机能够获得较高的效率,可以增强转子抗高速离心力的效果。
2、通过结构和工艺革新,以生产自动化、规模化,使产品向低成本、低价格方向发展
无刷直流电动机的成本及售价一般都比较高,这是因为其采用电子换相电路所以它的成本要高于一般的机械换向器。
也正是这样的一个原因,限制了其应用扩展到民用行业民用产品领域。
针对目前国内外的汽车行业、家电行业及办公自动化领域对于低成本永磁无刷直流电动机出现供不应求的现状,所研制的新型永磁无刷直流电动机,尤其在工业控制和各类民用产品的领域能很好的得到利用。
在结构和工艺革新方面:
采用了分割型定子铁芯结构和连续绕线工艺方法。
对于节距y=1分数槽设计,用专用绕线机直接绕制定子线圈,这样对于采用了外转子结构的电机是比较方便的;但是对于采用了内转子结构的电机而言,特别是采用了定子内径小的小功率电机来说;就要困难的多得多了。
鉴于此,采用分割型定子铁芯结构的构思油然而生了。
采用分割型定子铁芯结构工艺技术使得了永磁无刷直流电动机的生产达到了高效率、大批量、自动化这样的一个标准,日本有多家厂商亦就这样的工艺技术进行效法,推出了自己专利的定子铁芯分割方案。
该技术也开始引起我国国内一些厂家的关注,并且进行了探索性的实验。
目前,由于在IT领域永磁无刷直流电动机的广泛应用,例如软盘、硬盘、光盘驱动器、DVD、CD主轴驱动器上的采用,其市场竞争以及大规模的生产,价格达到了很低。
3、电机设计方面,过去无刷直流电动机大多采用整数槽设计。
近年,分数槽技术在永磁无刷直流电动机的应用日益增多。
永磁无刷直流电动机采用分数槽技术的好处:
<1)对于多极的永磁无刷电动机采用较少的定子槽数,可以提高带您点击的性能及槽满率,槽满率的提高,线圈周长和绕组端部伸出长度的缩短,使电动机绕组电阻减小。
铜损随之也减低,进而提高电动机效率和降低温升;同时,采用较少数目的元件数,不仅能简化嵌线工艺和接线,而且降低了成本。
<2)增加了绕组的短<长)距和分布效应,改善反电势波形的正弦性。
<3)有可能得到线圈节距y=1的设计<集中绕组),每个线圈只绕在一个齿上,从而缩短了线圈周长及绕组端部伸出的长度,铜量使用得到降低;各个线圈端部不存在重叠,无需绝缘。
<4)有可能使用专用绕线机,直接将线圈绕在齿上从而取代传统嵌线工艺,提高了工作效率。
<5)降低了齿槽反应转矩,有利于达到减少振动和噪声的效果。
总之,分数槽技术的应用有利于永磁无刷直流电动机降低在其节能、节材、小型化、轻量化、省工、生产自动化等方面的产品成本,增强其产品竞争力。
4、DSP<数字信号处理器)电机控制器的应用
就系统的控制器而言,为了更好的实时快速处理多种信号,为进一步提高控制系统的综合性能,近些年国外的一些大公司都相继推出了较MCU单<片微控
制器)性能更加优越的DSP<数字信号处理器)单片电机控制器,如ADI的ADMC3xx系列,TI的TMS320C24系统及M0tomla的DSP56F8xx系列。
这些控制器都是以一个DSP为基础的内核,以及电机控制所需的外围功能电路,集成在单一芯片内,从而使价格大大得到降低,体积得到缩小,结构更加紧凑,使用更加便捷,可靠性得到很大提高。
目前DSP的最大速度可达到20~40MIPS以上,指令执行的时间或完成一次动作的时间快达几十纳秒,与普通的MCU相比,其
运算及处理能力也增加了10~50倍,系统的控制性能得到了很大的确保。
5、无位置传感器控制技术
通过前面永磁无刷直流电动机工作原理,可以知道电子开关的换相必须要由转子磁极位置信号来决定。
一般情况下我们都是通过采用安装位置传感器的方法来得到这些信号。
但是采用安装位置传感器的话就存在占用了电机的一些空间、安装位置对准、需较多引出线、影响可靠性等缺点。
在一些特德的环境或场合,如压缩机内有高温高压环境,是不允许安装位置传感器。
因此,随着目前永磁无刷直流电动机控制的研究渐渐发热,微机控制技术的快速发展,无位置传感器控制技术逐渐进入人们的视野。
其原理主要是通过一些电子电路和一些软件的方法来获得位置信号,从而实现电子换相。
无位置控制技术的出现解决了有位置控制所存在的一些缺点,极大的满足了市场和产品的全面需求。
在很多方法中,要数反电势法最为成功的。
它是以检测不激励相绕组的反电势过零点,经过运算以后,决定换相时刻。
6、正弦波控制技术
永磁无刷直流电动机的电子换相控制模式分为两大类;方波驱动和正弦波驱动。
就其位置传感器及其控制电路来说,由于方波驱动相对简单、价廉的优点,目前大多数永磁无刷直流电动机的驱动方式都采用方波驱动;正弦波驱动相对方波驱动来说的话劣势就在于:
其控制电路比较复杂,成本也比较高,而且需要有高分辨率位置传感器,如旋转变压器、光电编码器等。
正弦波驱动工作原理主要是通过借助高分辨率位置传感器作用,强制为永磁无刷直流电动机提供正弦波相电流特征的电子换相方法。
与方波驱动相比采用正弦波驱动优点有:
低转矩波动、运动比较平滑、噪声小、在弱磁控制和拓宽调速范围方面可以更好的利用领先的角技术来实现。
以前正弦波驱动方式主要是用于军用和工业用等较高要求的伺服系统。
由于高速MCU和DSP控制器的被广泛的应用以及价格大幅度降低的优势,使其性能优异的正弦波电流控制方式在价格方面的限制得以很大的缓解,受到了更加广泛的关注。
例如,西门子公司早期开发的正弦波电流控制方式的1FT6系列已经代替了1FT5系列方波电流控制方式。
随着目前人们不断的需求以及对正弦波控制技术的更加深入研究,简易位置正弦波换相控制技术面世。
简易位置正弦波换相控制技术的出现解决了正弦波驱动主要是通过借助高分辨率位置传感器作用的这样的一个限制,尤其是新一代的永磁无刷直流电动机正弦波控制芯片的问世,近一步形成了正弦波控制在永磁无刷直流电动机控制上的地位。
这种控制芯片在计算机外围设备、办公自动化设备、甚至是家用电器的小功率无刷直流电动机驱动控制中开始得到应用的例子是:
STMieroelectronics公司的L7250电动机驱动微控制器,朗讯