北京永光高特微電機有限公司
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無刷直流電動機PWM調速實驗系統

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:762

摘  要:針對市場上現有的無刷直流電動機調速教學實驗儀器不能自主構建控制方式和參數整定方法等不足之處,采用兩兩導通星形三相六狀態工作方式,設計了用邏輯控制芯片控制的無刷直流電動機PWM調速實驗系統,實現了無刷直流電動機的開環機械特性和雙閉環控制調速測試等實驗。

引  言

  無刷直流電動機實驗的教學目的是通過特性實驗、開環閉環控制實驗了解無刷直流電動機的特性并進行開環機械特性、閉環機械特性的測試和分析比較。而國內眾多知名教學儀器廠家的產品,具有無刷直流電動機調速系統實驗裝置的極少,且產品價格昂貴,實驗功能過于簡單和單調,不能自由組合閉環控制線路、自主調節設定相關參數。本文介紹的無刷直流電動機調速實驗系統,通過合理的模塊化分解,在解決系統分解可能引起的各種干擾的前提下進行無刷直流電動機的特性實驗和開環、閉環控制實驗,實現基本控制方案的自由組合。

1系統結構和工作原理

   無刷直流電動機控制系統通常采用轉速、電流雙閉環控制,本文中的無刷直流電動機實驗系統要求既能實現閉環控制調速實驗又能完成開環機械特性測試實驗,其系統框圖如圖1所示。

   圖l中,開關K用于開環實驗和閉環實驗間的切換,當開關K置于2時可進行開環機械特性實驗。通過調節輸入電壓Us的大小,經過逆變器產生可調的無刷直流電動機供電電源,實現電機的轉速調節,完成n=f(U)的測試實驗。 圖1無刷直流電動機調速系統框圖

   當開關K置于1時可進行閉環調速實驗,速度為外環,電流為內環,構成雙閉環控制系統。速度給定信號n*與速度反饋信號n進行比較,經過速度調節器,輸出的控制信號作為電流信號的參考值i*,它與電流信號的反饋值i比較后經過電流調節器,輸出的控制信號作為電壓參考值,與給定三角載波比較后形成PWM調制波,控制逆變器的實際電壓,完成無刷電動機的雙閉環調速控制。

   圖l中位置檢測器檢測的電機轉子的位置信號經過位置信號處理得到位置控制信號,輸出到邏輯控制單元中,邏輯控制單元采用邏輯控制芯片作為控制器,主要完成對霍爾位置信號、PWM調制信號、正反轉及過流保護信號進行邏輯綜合,為驅動電路提供各開關管的載波信號和選通信號,實現電機的各種調速功能。

1.1逆變器主電路的拓撲結構與工作方式

   無刷直流電動機定子繞組的相數有不同選擇,繞組的連接方式有星形和三角形之分,而逆變器主電路又有半橋式和橋式兩種。不同的組合會使電動機產生不同的性能和成本。根據實際應用情況從繞組利用率、轉矩脈動及電路成本三方面考慮逆變器主電路選擇星形三相橋式結構,如圖2所示。

    圖2星形連接三相橋式主電路

   無刷直流電動機的逆變器三相橋式主電路的控制方式采用兩兩導通方式。

   兩兩導通方式是在任意時刻只有兩個開關管同時導通。當開關管的導通順序為:T1、T2→T2、T3→T3、T4→T4、T5→T5、T6→T6、T1時電機獲得最大轉矩。在這種工作方式下,每個電周期共有六種導通狀態,每隔60°電角度工作狀態改變一次,每個開關管導通120°電角度。這種工作方式也稱為兩相導通星形三相六狀態方式。如圖3所示。

 圖3開關管導通規律及其三相繞組的反電動勢波形

   兩兩導通方式下,每個管子均有60°電角度的不導通時間,不會發生直通短路故障。而且兩兩導通方式很好地利用方波氣隙磁場的平頂部分,使得電機的出力大,電磁轉矩比三三導通方式大、且轉矩平穩性好。

1.2 PWM調制方式

   通過控制逆變器功率開關管導通和截止的占空比,進行電壓調節,實現無刷直流電動機的調速。對于兩相導通星形三相六狀態無刷直流電動機,在一個周期內每個功率開關器件導通120°電角度,每隔60°有兩個開關器件切換;對于導通的功率管,本系統采用H_on_L_pwm型半橋調制方式:即在各自的120°導通區間內,上橋臂開關管恒通,下橋臂開關管通過PWM調制,以此控制電機上的電壓,如圖4所示。相對于全橋調制方式的上下橋臂均采用PWM調制,半橋調制方式功率開關的動態功耗是全橋橋調制的一半,有利于提高系統的效率。

   圖4半橋PWM調制(H_0n_L_pwm型)

1.3邏輯控制部分設計

   本系統采用邏輯控制芯片作為控制器,主要完成對霍爾位置信號(H1、H2H)、PWM調制信號PWM)、正反轉信號(F/B)及過流保護信號(PRO-TECT)進行邏輯綜合,為驅動電路提供各開關管的調制信號和選通信號(T1~T6),實現電機的各種調速功能。

   當正反轉信號F/為高電平時,電機正轉,開關管的驅動信號與霍爾位置信號(H1、H2、H3)的控制邏輯關系如表1所示;當F/B為低電平時,電機反轉,開關管的驅動信號與霍爾位置信號(H1、H2、H3)的控制邏輯關系如表2所示。

表1   F/B=H,電機正轉時開關管的控制邏輯

   開環控制時,T1~T6不受PWM波調制控制,直接調節輸入電源電壓實現對電機轉速的調節;閉環控制時,由于采用半橋。PWM調制方式,因此下橋臂T4、T6、T2管受PWM波調制控制,實現電機轉速的調節。當主電路過流時,PROTECT=L,封鎖T1~T6控制信號,電機停止運行,實現過流保護。

2調試結果及其分析

   針對此實驗系統,進行無刷直流電動機的各種調速特性實驗,其開環機械特性實驗、閉環控制特性實驗、閉環機械特性實驗的數據如表3~表5所示。

表3電壓Us=200 V時開環機械特性

實驗結果表明:

(1)開環時電機的機械特性較軟,靜差率達到2.4%,閉環時機械特性較硬,靜差率達到一O.6%;表5中,負載增大,轉速略有回升,這是因為電流反饋信號比較小,測速裝置的精度不高,而轉速和電流調節器都是模擬器件實現的,分辨率不高;再則此實驗系統需要學生自主接線,引線過長,引起干擾,出現過補償現象,但精度<±1%,故系統是可用的;

(2)當n>60 r/min時閉環控制調速特性的線性度良好;由于此實驗系統的測速裝置是永磁12相測速發電機進行測速的,低速時測速發電機的紋波較大,因此表4中n<60 r/min時系統的數據是不準確的。

3結語

利用邏輯控制芯片作為控制器,把無刷直流電動機控制系統進行合理的模塊化分解,設計實現了無刷直流電動機調速實驗系統,與市場上現有產品相比具有以下特點:

(1)在盡量解決系統分解可能引起的各種干擾的前提下,能夠滿足實驗者根據圖1的模塊,學習合理構建無刷直流電動機控制系統、實踐系統參數調整的方法,實現控制參數自由設定的實驗要求。

(2)能夠實現無刷直流電動機特性測試實驗、開環控制調速系統實驗、閉環控制調速系統實驗等多種實驗。

(3)實驗系統成本在2 000元左右,遠遠低于目前市場現有產品的售價(一般在1.8萬元左右)。

 為了完全實現無刷直流電動機各種控制方法的自由組合,在此系統開發的基礎上,還需要進行進一步加以完善:如選用精度較高的測速裝置改善此系統中低速實驗不準確的不足;在此系統開、閉環控制基本教學實驗滿足的基礎上,增加矢量控制等現代先進的控制模塊。    

 本系統可以與市場上主流的小電機調速實驗系統配套,解決現有產品的一些不足,利用模塊化的思想,在此母體的基礎上對各種先進的控制模塊進一步開發,更加適合實踐教學需求,此系統具有良好的市場前景和經濟效益,已投入生產。

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