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無刷直流電動機的設計

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:254

本節通過一個具體產例,分析討論無刷直流電動機的工作原理,更好地應用前幾節講述的設計方法。

 圖61是無刷直流電動機的控制

   本例中的霍爾轉子位置傳感器采用三個霍爾器件,它們沿定子圓周可以相互間隔60°電角度配置,也可以相互間隔120°電角度配置,本例是相互間隔60°電角度配置的。圖61無刷直流電動機的控制框圖框圖。每旋轉60°電角度,就有一個霍爾器件改變其狀態,逆變器內與之相對應的某一相的開關狀態也將更新變化一次,這樣開關狀態變化六次(或稱六步)就完成一個電氣周轉。一個電氣周轉內開關狀態的變化次數可以用s來標記。如果一臺電動機的磁極數2p=4,額定轉速nH=3 000 r/min,我們把電動機正常運行時逆變器內開關狀態每秒鐘變化的次數稱之謂無刷直流電動機的頻率厶,則可以按下式計算:

圖61中的逆變器是由六個BG1~BG6的功率開關器件所組成的橋式電路。根據電動機的電壓和電流的額定值,功率開關器件可以選用MOSFETs或者IGBTs,或者選用一般的雙極性功率晶體管。

表19 電動機順時針方向旋轉(從非驅動端看)時的驅動順序

表20 電動機逆時針方向旋轉(從非驅動端看)時的驅動順序

   表19和表20分別列出了電動機順時針和逆時針方向旋轉時,霍爾轉子位置傳感器輸出的A、B和C三個信號與六個功率開關器件的開關順序之間的關系?;魻栟D子位置傳感器輸出的A、B和C三個信號饋送至PICl8Fxx31微控制器,作為PICl8FXx31微控制器的輸入信號。然后,PICl 8Fxx3 1微控制器根據所規定的驅動順序定義(協議),對逆變器中六個功率開關器件的導通和截止狀態進行控制。

   在如圖61所示的無刷直流永動電動機的控制框圖中,如果由PWMl至PWM6標記的六根信號線傳送的不是脈寬調制PWM信號,而是按照所規定的驅動順序定義(協議)傳送的只是導通和截止的高低電平,電動機將在額定速度上運行。這時,直流母線電壓等于電動機的額定電壓和導通功率開關器件的壓降之和。為了改變速度,這些被傳送的信號

必須是在一個比電動機頻率fm高很多的頻率上進行脈寬調制(PWM)信號。根據經驗,脈寬調制PWM的頻率至少是電動機最大頻率的10倍。當PWM的占空度在導通順序區段內變小時,供給電動機定的平均電壓就減小,電動機的速度就下降;反之,當PWM的占空度在導通順序區段內變大時,供給電動機定的平均電壓就增加,電動機的速度就升降。

   采用PWM信號的另一個優點是:當直流母線 電壓比電動機的額定電壓高很多的情況下,可以把PWM信號的占空度限止在與電動機的額定電壓值相等效的百分比上,并藉此來控制電動機。這樣,增加了控制器能與具有不同額定電壓的電動機配合使用的靈活性,借助調節PWM信號的占空度可以使控制器輸出的平均電壓與電動機的額定電壓相匹配。

   逆變器的控制方法有多種。一般情況下,逆變器內的六個功率開關器件都接受PWM信號的控制,如圖62a所示。如果PWM信號在微控制器中在數量上受到限止,不能同時提供六路PWM信號的情況下,則逆變器內上邊的功率開關器件BG1、BG3和BG5可以在相應順序的整個導通區間內完全被接通,而逆變器內下邊的功率開關器件BG4、BG6和BG2仍按照導通順序接受具有一定占空度的PWM信號的控制,如圖62b所示。

    圖62逆變器內功率開關器件的控制方式

   同時,PICl8FXX3l微控制器內的一個計數器,我們可以利用它來計算霍爾轉子位置傳感兩次相鄰輸出信號電平跳變之間的時間間隔。根據這個時間間隔可以計算出電動機的實際速度,進而可以求出電動機的實際速度與設定的參考速度之間的誤差。然后,利用一個PID控制器來放大這個速度誤差,并能在動態過程中調節PWM信號的占空比,從而實現電動機轉速的閉環控制。

   這里,還有一個要說明的問題:對于三相半橋逆變電路而言,必須防止同一橋臂內上下兩邊的兩個功率開關器件同時導通,即所謂的“死區”。一般而言,驅使一個處于導通狀態的功率開關器件關斷所需的時間toff要大于驅使一個處于關斷狀態的功率開關器件開通所需的時間ton,即toff>ton兩者之間存在一個重疊的時間,即“死區”時間△t=toff一ton因此,在某些情況下,同一橋臂內上下兩邊的兩個功率開關器件可能出現同時導通的現象,導致電路和設備的損壞。為此,必須采取“死區”控制措施,防止出現“死區”現象。但是,對二相二相輪流導通的無刷直流電動機而言,情況就不一樣了。根據表19和表20所列的驅動順序,對于給同一相電樞繞組供電的同一橋臂內的上下兩邊的兩個功率開關器件而言,在從上邊功率開關器件的導通時段(DC+)切換到下邊功率開關器件的導通時段(DC一)之間,或者在從下邊功率開關器件的導通時段(DC一)切換到上邊功率開關器件的導通時段(DC+)之間,都被一個懸空狀態的時段所隔開,而懸空狀態的時段大于“死區”時間△t。在此情況下,給同一相電樞繞組供電的同一橋臂內的上下兩邊的兩個功率開關器件永遠不會同時導通,這是無刷直流永磁電動機的驅動順序定義(協議)所賦于的固有特性。因此,對二相

二相輪流導通的無刷直流永磁電動機而言,不要需采用專門的“死區”控制措施。

11結束語

   無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎上發展起來的。宏觀而言,無刷直流電動機和有刷直流電動機基本上具有相同的運行機理:施加在電動機上的電壓都是恒定不變的直流電壓,輸入電動機的電流都是直流電流,作用在電樞線圈(又可稱元件)上的電壓極性和通過電樞線圈的電流方向都是交變的,電樞線圈內的感應電動勢的波形基本上是相似的,方向都是交變的。因此,兩者的設計思路和設計方法基本上是一致的,只是某些具體的計算公式略有不同。

   無刷直流電動機和有刷直流電動機雖然具有相同的運行機理,但在運行性能方面存在著一定的差異:一般而言,有刷直流電動機電樞繞組的元件數和換向器的換向片數多于無刷直流電動機電樞繞組的相數;在運行過程中,有刷直流電動機的磁極磁場與電樞磁場始終處于正交狀態,而無刷直流電動機的磁極磁場與電樞磁場在某一角度位置范圍內變動,正交狀態僅只是其中的一個瞬時位置。因此,在其它條件相同的情況下,在運行過程中,無刷直流電動機的力矩脈動要大于有刷直流電動機的力矩脈動;無刷直流電動機的電磁力矩要小于有刷直流電動機的電磁力矩。

   上述的設計計算方法僅適用于無刷直流電動機。在一般情況下,我們把采用非橋式逆變電路或120°導通型的三相半橋逆變電路作為驅動電源,給電動機提供矩形波直流驅動電壓;電動機運行時,三相電樞繞組中一相一相輪流接通或兩相兩相輪流接通,在工作氣隙內產生“跳躍式”旋轉磁場的永磁電動機稱謂無刷直流電動機。在無刷直流電動機中,希望能夠獲得近似于梯形波的氣隙磁場,以便減小電動機運行時出現的力矩脈動。

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