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無刷直流電動機的方波與正弦波驅動

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:5386

摘要:采用電子換向取代機械換向的BLDCM,繞組電流除了與傳統的DCM一樣接近方波以外,還可以是正弦波,都是有DCM的特性,都屬于BLDCM。二種驅動方式的機械特性和轉矩特性相接近,但運行平衡性、調速范圍和噪聲等則很不一樣。正弦波驅動要好得多。目前正弦波驅動BDCM多用于要求高的伺服系統,價格甚高,這不會影響正弦波驅動應是BLDCM的重要發展方向。

1無刷直流電動機(BLDCM)

   傳統的電動機分成同步電動機(SM)、異步電動機(IM)和直流電動機(DCM)三大類。它們的基本特點和區別可以這樣描述:(1)同步電動機的轉子轉速由供電交流電源的頻率決定,增大負載時轉子速度不變?;蛘哒f轉子角速度與交流電源的角頻率同步。(2)異步電動機的轉子轉速也主要取決于供電交流電源的頻率,但轉子角速度只有在理想空載情況下才與電源角頻率同步,實際上總小于同步角速度,即有一定的轉差,且轉差隨負載增加而增大。(3)直流電動機的轉子轉速取決于加在電樞上直流電壓的值,負載增大時,轉速也隨著下降。異步電動機為鼠籠型結構,沒有電刷;小容量同步電動機大部分為永磁轉子結構,也沒有電刷;傳統的直流電動機則無一例外地都是有刷結構。因為電刷和換向器是直流電動機中將產生交流電勢的電樞繞組與直流電源聯接的樞紐,是直流電動機構成的關鍵組成部分,可以理解為將電樞繞組的交流電勢整流成直流電勢與電源相聯,也可以理解為將電源的直流電壓逆變成多相

交流電壓與電樞繞組相聯??梢?,對于傳統的電動機,同步和異步電動機——交流電動機基本上是無刷電動機,而直流電動機則無例外地為有刷電動機。

   近代新發展起來的BIDCM是指沒有電刷但具有DCM特性的電動機。與傳統的DCM相比,BIDCM用電子換向取代DCM的機構換向,取消了電刷和換向器;并將原有DCM中的定轉子顛倒,即電樞繞組在定子上,與靜止的電子換相電路聯接方便,勵磁在轉子上,為永磁體,不需要勵磁繞組,也更不需要向轉子通電的滑環和電刷;在DCM中,換向器在轉子上,它能保證當電樞導體從一個定子磁極下轉到另一個極下時其中的電流同步改變方向,BLDCM電樞繞組中電流方向的改變由功率管的開關來控制,為保證開關信號與轉子磁極轉過的位置同步,需要有檢測轉子位置角的傳感器?;窘M成部分如圖l所示??梢钥闯鯞LDCM是1臺反裝的DCM,用電子換向,作用原理基本不變,基本特性自然就相一致。    

   圖1  BLDCM的基本組成部分

2方波和正弦波驅動

BLDCM的電子換向,基本的方式與DCM中完全一致,相繞組中的電流改變方向與繞組軸線所處磁極下位置極性改變同步,稱為方波驅動的BLDCM,相繞組基本上為方波。但是電子換向畢竟與機械換向不一樣。它具有更靈活的可控性,電子換向不僅可實現隨磁極位置同步改變相繞組內電流的方向,必要時還可以實現電流波形的控制,例如讓相繞組電流為正弦波形,稱為正弦波驅動的BLDCM。盡管相繞組電流為正弦波形??雌饋砼c傳統的DCM有些不同,可是這種帶角位置傳感器和電子換向電路的永磁電動機,它的作用原理和基本特性仍與DCM相一致,應歸類為BLDCM。

表1V~=220V伺服驅動器最高限速時負載實驗數據實例

   在英美的文獻中,把這類正弦波驅動的BLDCM稱為“永磁同步電動機(PMSM)”或者“刷交流電動機(BLACM)”,在日本和歐洲則大多數情況下稱為“交流伺服電動機(AC servo)”,國內基本上也多數采用AC servo的名稱。這些名稱在工業和商業領域通用以后很難加以改變,但是從學術的角度應作一些澄清,否則會造成混淆。轉子上沒有位置傳感器,或不通過位置訊號換向的永磁電動機,才具有同步電動機的基本特性,是名符其實的PMSM。通過位置訊號進行電子換向的永磁電動機,既使相繞組電流波形為正弦波與交流電動機一樣,但基本特性與DCM相一致,應歸類為DCM,而不是SM。把它稱為BLACM就更不清楚了,難道傳統的ACM都有刷嗎?傳統的鼠籠型異步電動機和

永磁電動機都是無刷結構,都是BLACM。通常所說的AC servo,如前所說,它不是同步電動機的工作特性,又不具備異步電動機的基本結構,所以從本質上講不是1臺通常意義上的AC電動機,只是從形式上看,繞組電流為正弦波形,與通常ACM的繞組電流情況相同,實際上稱作無刷直流伺服電動機(BLDC servo)較為恰當。

3運行性能實例對比

   實驗用的電動機是珠海運控電機有限公司生產的123BL(3)A40—20(ST一1)型AC serV0,這是一臺PN一400W,nN=2 000 r/min的中慣量ACservo,定子繞組相數m=3,轉子極數2P=8,位置傳感器為2 500線的光學編碼器,具有U、V、W和A、B、Z信號。與同一公司生產的PSDA一2023A1型交流伺服驅動器配套,構成了典型的正弦波驅動BLDCM。在給定轉速為最高限速值,電源電壓V~=220V不變的條件下,負載特性測試數據如表1所示。機械特性和轉矩特性如圖2a和b所示。圖2a曲線表明,在TL≤2.7Nm范圍內,電動機運行在穩速情況下,TL>2.7Nm時,超出了該給定轉速下的最大轉矩,轉速下降,電動機運行在速度開環情況下。將下降段曲線向上延長,如圖中虛線段所示,將表示完全速度開環時的機械性,從它與縱軸的交點可得,開環時空載轉速約為n0=3 700r/min。圖2a的曲線還表明,如果,n=2 000r/min時,最大負載轉矩為5.0Nm,為額定轉矩的2.5倍。即該電動機在保持額定轉速不變的條件下,具有2.5倍的過載能力。

 圖2  正弦波驅動BLDCM機械特性和轉矩特性

表2V~=220V時方波驅動BLDCM負載實驗數據實例

采用珠海運控電機有限公司生產的方波BLDCM驅動器,型號為BLDA一04211A1,與實驗用的電動機配套便構成方波驅動BLDCM。在方波驅動BLDCM產品中,都采用3個開關霍耳元件作轉子位置傳感器,產生互差120。電角度的方波位置信號。如果只是為了實驗測試,則用光學編碼器的U、V、W信號也一樣。上述同一臺實驗電動機,在電源電壓保持V~一220V不變的條件下,方波驅動負載實驗測試數據如表2所示。機械特性和轉矩特性如圖3a和b所示。與圖2a和b的曲線相對比可以看出,(1)在速度開環情況下,相同電壓條件下,二種驅動方式時電動機的空載轉速基本相同,并同樣具有隨負載增大而轉速下降的機械特性。(2)在相同負載轉矩條件下,方波驅動BLDCM的轉速略低一些,即轉速降略大一些。(3)轉矩特性基本一致,轉矩和電流幾乎成線性關系,在同一負載轉矩時,方波BLDCM的電流略小。在相同負載轉矩條件下,方波驅動BLDCM的轉速稍低,輸出功率較小,相應地輸人功率也要小一些,在同樣電壓條件下,橋臂電流小一些是在預料之中的。至于方波驅動BLDCM轉速下降要稍大一些,當然是和換向過程有關,可參看有關電樞等效電阻的分析,對轉矩系數有影響也是相關聯的。

    圖3  方波驅動BLDCM機械特性和轉矩特性

   表2的數據和圖3的曲線表明,方波驅動BLDCM的額定數據大體上可給定為:,nN=2 500r/min,TN=2.6Nm,PN=680W,IN=2.9A(DC),VN=220V(AC)。按珠海運控電機有限公司的型號表示方法應為123BL(1)A68—25H(ST一1)型,即1臺400W、2 000r/rain的AC setvo改用方波驅動器就成了1臺680W、2 500 r/min的BLDCM。這些數

據絲毫也不能表明方波驅動電動機能輸出更大的功率,實際上AC servo若運行在2 500r/min時,能輸出的最大轉矩要比2.6Nm更大一些。對應2 000r/min額定轉速、400W的電動機有2.5倍的過載能力,但是方波驅動BLDCM在超過額定轉矩時轉速便低于額定轉速。

4正弦波和梯形波旋轉電壓(反電勢)

   一個相關的問題是電動機旋轉電壓(EMF)的波形。在一些文獻中對BLDCM的特點描述為:具有永磁轉子,定子繞組的設計使EMF為梯形波。并認為方波繞組電流和梯形波EMF作用的結果能獲得恒定無脈動的電磁轉矩。正弦波驅動的電動機才設計成EMF為正弦波,并稱為PMSM或BLDACM。前面已經論述過,只要根據位置訊號實現電子換向,即便繞組電流與.ACM一樣為正弦波,仍是DCM原理具有DCM的基本特性,便是BLDCM。正弦波驅動BLDCM設計成正弦波EMF,能產生恒定無脈動的電磁轉矩,與傳統ACM相類似,那么方波驅動BLDCM的EMF是否要追求梯形波。

   限于篇幅,對這個問題這里無法作詳細的論述,僅簡要指出幾點。(1)方波(梯形波)EMF、只有在下述條件下才能得到,即氣隙磁密分布為方波,全距集中繞組,不斜槽和不斜極。真的滿足這些條件可獲得方波EMF,但電動機的定位轉矩會很大,嚴重影響運行性能而無法接受。(2)在小容量BLDCM中,產生方波EMF的條件很難達。小容量BLDCM一般每極槽數很少,槽開口對氣隙磁密分布的影響很  大,因為要保證足夠下線的工藝尺寸。如果轉子采用

多極磁環,磁性材料為各向同性,充磁后較難獲得足夠頂寬度的平頂波。小容量BLDCM常常采用與轉子極數相近的定子槽數,構成分數槽繞組,定位力矩可以很小,EMF波形則接近正弦波??傊畬嶋H的小容量的BLDCM產品,大都具有接近正弦的EMF、波形。(3)理論上講,具有方波EMF的電動機,在繞組也是方波電流的作用下,可以產生恒定無脈動的電磁轉矩,但是由于換向過程的影響,繞組電流在大部分實際運行過程中與方波相距甚遠,再加上EMF波形也總與理想的平頂波有一定的差距,所以實際的方波EMF電動機,在方波驅動方式運行時,運行平穩性未見得有所改善。

5正弦波驅動是發展方向

   從目前市場上通行的產品看,正弦波驅動BLDCM,都采用光學編碼器,驅動器設計包含電流環、速度環和位置環,成為高性能的伺服單元,通常稱為交流伺服電動機或交流伺服單元(AC servo),運行平衡性好,噪聲低,調速比高(達10 000或以上),響應快,定位精度高,還具有可靠性高和維護方便的特點,是當今伺服驅動的主流產品。不足之處是價格昂貴,近一二年國內市場上通用AC servo的價格已有一定幅度的下降,但還是價格甚高。首先是光學編碼器相當貴,市場價要高出數百瓦永磁電動機本體的成本。其次驅動控制線路較復雜,所用的電流傳感器及專用芯片等也較貴。采用旋變作位置傳感器的AC servo國外產品,有少量進入國內市場,價格不比光學編碼器的AC servo便宜。價格因素限制了這類高性能BLDCM在更廣范圍內的應用。

   更廣泛的產品是方波驅動的BLDCM,通常采用3個開關霍耳元件作位置傳感器,驅動控制電路也較簡單,因此成本低廉,適合眾多大量應用的場合。但是在典型的方波驅動BLDCM中,繞組電流含有豐富的諧波,使電磁轉矩脈動大,導致電動機運行的平穩性變差,振動和噪聲增大。另外,這類電動機在一圈范圍內的位置信息量甚少,用它來控制轉速不能達到高的穩速精度,調速比也較小(在10左右)。這就使得普通方波驅動BDCM不能適應一些對噪聲和調速比要求稍高的應用場合。

   基于以上實際現狀,普遍的說法認為“轉矩波動是BLDCM存在的突出問題”。國內外的研究人員針對這個問題做了大量工作,提出了各種解決和改善這個問題的途徑和方案。本文不可能對這方面眾多的研究作出評述,僅簡單提出一些想法。

    (1)籠統地認為“轉矩波動是BLDCM存在的突問題”可能會引起誤解或產生誤導,特別是對于尚未深入工業生產和應用實際研究的研究者,高校的研究生就是例子。明確一點應該是:簡單廉價的方波驅動BLDCM較突出的不足之處是轉矩波動;價格較高的AC servo,屬于正弦波驅動BLDCM,并不存在轉矩波動;所以BLDCM的轉矩波動,決不是偏重理論和方法的問題,更多地是側重于降低成本的實際工程問題。

   (2)三相永磁電動機各相繞組旋轉電壓(EMF)瞬時值用uaib和uc表示,電流瞬時值用ia、ib和ic表示,在給定角速度(ωr)不變條件下,只要能使得:uaia+ubib+ucic=constn    (1)就可以獲得恒定無脈動的電磁轉矩。通常電動機的

三相繞組是對稱的,ua、和uc的波形是相同的,只是互差一定的相位,ia、ib和ic也一樣。理論上講,不論EMF為什么波形,只要波形已知,就能找到一個滿足式(1)要求的電流波形,并且用近代電流波形控制技術來實現。反過來,在給定電流波形情況下,也能找到一個滿足式(1)要求的EMF波形,但是EMF波形的控制,就不那么容易實現了,除非要求正弦波形,這在傳統ACM設計理論中有較為成熟的理論和方法。實際上要滿足式(1),使電磁轉矩恒定,不論給定EMF波形,還是給定電流波形,都只有讓二者都是正弦波最為方便和現實。

   (3)事物總是要向完善的方向發展,對于BLDCM,正弦波驅動是發展方向。目前成本較高的局面,不是一成不變的。如果退回10年看,BLDCservo(AC servo)的價格很高,但是并沒有妨礙它逐步取代DC aervo的發展趨勢。在目前情況下,結合不同應用場合的要求,研究和開發較為經濟的正弦波驅動BLDCM值得關注,用不同的方法來取代價格不菲的光學編碼器首當其沖。

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