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永磁無刷直流電機驅動系統及其應用

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:207

摘要;介紹了無刷無槽永磁直流電機的結構和特點以及在高速臺式離心機中的應用實例。對該應用中的剎車功能進行了重點論述。

0  引  言

高速臺式離心機屬常規實驗室使用儀器,廣泛應用于生物、化學、醫學等科研教育部門。這些使用環境一般都要求運行可靠、高效率、低溫升、低振低噪,永磁無刷直流電機的優點得到了充分的體現。本文基于無刷無槽永磁直流電機(型號:88PNT030)及其驅動系統(型號:A110/03801)·論述了該電機系統在高速離心機巾的應用。

    圖1無刷無槽永磁電機結構

1無刷無槽永磁直流電機結構

無刷無槽永磁電機除了綜合有槽無刷永磁電機的所有優點之外,還有許多新的優點。圖1所示為無刷無槽永磁電機結構。其轉子由N、S交替分布的永磁體構成,與傳統的轉子結構相同,不同之處在于定子。定子鐵心由圓環型沖片疊壓成,鐵心上沒有齒槽,繞組均勻分布到圓環型鐵心的內圓上。

無槽結構電機的優點如下。

由于鐵心沒有齒槽,可用于放置繞組的空間增加,因此銅耗比有槽結構降低。

由于沒有齒槽,不存在定子齒的飽和現象,渦流損耗和磁滯損耗大大降低,電機鐵耗也很小。所以高速電機采用無槽結構可降低損耗,電機溫升較低。

由于沒有齒槽,繞組電感量及電氣時間常數非常小,具有良好的動態性能,并且由于沒有齒槽,傳統電機難心解決的齒槽效應(定位轉矩)問題在無槽電機中得到徹底的解決。因此無刷無槽電機可以在極低速到極高速范圍內平穩運行。

2在高速臺式離心機中的應用

以下為該設計的主要指標及功能要求。

電源:110V/60Hz;調速范圍:(2000—15000)r/min;額定功率;250W。

驅動器主要功能:1)剎車功能;  2)閉環調速功能(速度控制電壓為0V一5V);  3)啟/??刂乒δ?;4)速度脈沖輸出功能。

經過論證,決定在驅動器方面采用“無刷電機專用控制芯片+隔離電路+預驅動電路+三相逆變橋(由MOSFET、構成)”的方案。電機采用三相(Y接)六狀態方波驅動模式。

 圖2控制電路

由于離心機的轉速較高,在啟動時采用軟啟動方式。所需PWM控制電壓由上位機發出,故可按使用要求很方便地調節啟動過程的時間/加速度。這樣不但可以減少對系統的沖擊(包括機械上的沖擊或電氣上的沖擊),還可以較好地滿足客戶對啟動時的低噪聲和低振動的要求。同時在該具體工況中,驅動電路的設計關鍵是剎車時間可調(隨著離心機的負載轉盤大小不同而變化),剎車過程較為平穩??紤]到該關鍵功能要求,提出了一個較為可靠的電路方案.即剎車三步法。

具體描述如下。

第一步:恒流剎車,剎車開始時,繞組反電動勢EMF約為140V,經三相整流及限流控制后,動能由剎車電阻RBRAKE(50fl/40W)吸收。在這過程中,由PWM設定剎車電阻的不同限流值IBL,即可改變剎車時間,這一階段電機減速最快。

第二步剎車電阻直接吸收能量。當電機減速到EMF=IBLRBRAKE時,剎車電流不再受PWM控制,而是隨反電動勢EMF的下降(因為電機轉速在下降),按照IBL2=EMF/RBAKE而線性下降。

第三步:當驅動器的速度檢測電路檢測到電機的轉速低于某個設定值(如1000r/min)時,驅動器的控制電路控制繞組反動勢EMF通過三相逆變橋的下橋臂MOSFET,由繞組直接短路。這個階段剎車電流不通過剎車電阻,而是由繞組的電阻吸收。設定不同的進入第三步運行的速度閥值,也可以改變剎車時間。

3 樣機實驗

綜上所述,設計了型號為88PNT030的無刷無槽永磁直流電機及型號為A1lO/03801的配套驅動器。測試結果描述如下:

1)由測功結果可知,該電機在250W,1500r/min時的效率高達85%,效率曲線比較平坦,在低負載時也能夠有較高效率。如負載50W時的效率也能達到70%以上。電機的機械特性也比較硬。

2)溫升試驗表明,采用該無槽結構的電機比客戶原來采用有槽結構的電機溫升低8K。

3)通過噪聲比較試驗,用有槽無刷電機,其噪聲為55分貝,而采用無槽無刷直流電機,其噪聲下降到49分貝。

4)在剎車試驗方面,電機帶最大負載轉盤以15000r/min運行時,剎車時間為(8—18)秒。由客戶按使用需要自己設定,并且剎車過程非常平穩。

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