北京永光高特微電機有限公司
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一種永磁無刷直線直流電動機動子定位測速方法

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:425

   摘要:位置檢測精度對永磁無刷直線直流電動機的運行性能有重要影響。實驗中發現由霍爾傳感器產生的換相距離并不一致,且受其他因素的干擾。因此提出了一種無刷直線直流電動機動子位置檢測的方法,采用霍爾元件和光電開關管相結合的方式,提高了定位和測速精度,增加了硬件冗余,提高了可靠性。實驗證明,該方法原理簡單,靈活實用。

1引  言

   永磁無刷直線直流電動機運行效率高,控制方便、靈活,和閉環控制系統結合,可精密地控制位移,其速度和加速度控制范圍廣,調速平滑性好。在位置和速度伺服領域比其他種類的電機具有更好的性能,因而廣泛應用于工業檢測、自動控制、信息系統等多方面。位置檢測是無刷直線直流電動機的重要部分,其作用是檢測動子在運動過程中的位置,為邏輯開關電路提供正確的換相信息,以控制功率開關管的開通和截止,使電機連續不斷地運行。如果動子位置檢測不準確,會使換相產生一定的誤差,動子所受的平均力減小,嚴重的還會導致電機反轉。因此,位置檢測精度對永磁無刷直流直線電機的運行性能有重要影響。

   無刷直線直流電動機有動線圈型和動磁鐵型兩種結構形式。動線圈型即永磁體作為定子,繞組鐵心作為動子的結構;動磁鐵型即繞組鐵心作為定子,永磁體作為動子的結構。動線圈型無刷直線直流電動機動子上有鐵心,質量較大,且存在拖線問題,行程不宜做得較長,不適用于帶動負載在短時間內加速到高速的場合;動磁鐵型動子無鐵心質量輕,

接線方便,行程可以做得較長,適合于需要很大加速度將負載加速到高速的場合。動線圈型位置檢測方法相對容易,以三相六狀態運行的電機為例,只需在動子上安裝兩個霍爾元件即可完成換相。動磁鐵型由于永磁體運動,要準確檢測動子位置需要的傳感器數量多,信號處理復雜。本文針對動磁鐵型永磁無刷直流直線電機介紹一種位置檢測的方法。

2霍爾檢測方案

   位置傳感器的種類很多,有光電式、電磁式、磁敏式等。磁敏式的霍爾元件由于結構簡單,體積小,安裝靈活,得到廣泛應用。

   要構成霍爾位置傳感器必須滿足以下兩個條件:

   (1)位置傳感器在一個電周期內產生的開關狀態是不重復的,并且每個狀態所占的電角度相等。

   (2)位置傳感器在一個電周期內產生的開關狀態數和電機的工作狀態數相對應。

   圖1是永磁無刷直線直流電動機的結構示意圖。電機采用兩相導通、三相六狀態運行方式,這種方式能最好利用氣隙磁場的平頂部分,使電機出力最大.平穩性最好。

 圖1  永磁無刷直流直線電機結構示意圖

 在每槽的中間位置安裝一個霍爾元件,則在一個電周期內,三個霍爾元件能產生六個狀態數,和電機的運行狀態數相對應,并且每個狀態所占電角度相等。實驗表明這種安裝方式能夠提供較為準確的換相信號,但是每次換相距離并不嚴格相等。圖2是勻速條件下某相實測的換相波形。

    圖2調整之前的某相換相波形

   可以看出,三次換相周期并不嚴格相等,第三次換相周期最長,第二次最短。這是因為霍爾元件的敏感度和安裝精度有關,很難保證每個器件的安裝位置、角度都相同?;魻栐幻舾写怪庇谛酒砻娴拇艌?,如果安裝角度有偏差,則傳感器敏感的磁場將發生變。當直線電機較長時,所需的霍爾元件數量較多,這個問題變得更加突出。在調整

了霍爾元件安裝位置、角度之后,換相波形較調整之前有了較大改進,但是第三次換相距離仍然較前面兩次長。另外,線圈電流產生的磁場也會對霍爾元件有影響,造成檢測誤差。

   位置檢測不準確會對電機推力造成影響。永磁無刷直流直線電機推力公式如下:  (1)

式中:F,表示電機推力,ea、eb、ec表示各相反電勢,ia、ib、ic表示各相電流,穢,表示動子速度。在某相繞組反電勢的平頂部分導通該相,電機具有較小的轉矩波動和較大的轉矩系數,運行狀態最佳。動子位置檢測不準確會導致提前換相或滯后換相,使得不在反電勢平頂部分導通該相,反電勢和電流的乘積變小,電機推力波動增加,平均推力下降。

   另一方面,動子速度的計算是用換相距離除以換相的時間間隔得到的。由于換相距離并不嚴格相等,如果采用霍爾換相信號來計算動子速度,則是一個換相距離內(24 mm)的平均速度,精度不高,有較大誤差。

   針對霍爾傳感器存在的這些問題,設計了使用光電開關管產生脈沖的方法,來彌補霍爾元件的不足。

3光電檢測方案

   光電開關管精度高,慣量小,穩定性好,與控制單元接口簡單,目前得到越來越廣泛的應用。

   光電開關管是U形結構,一邊發光,一邊接收光信號。當有遮光板在中間擋住光線時,光電開關輸出高電平;當沒有遮光板擋住時輸出低電平。在直線電機定子外側安裝光電升關管,在動子上安裝一段齒槽板,隨動子運動;并且能夠恰好穿過光電開關管。光電開關管的輸出信號經過邏輯電路處理,使得動子每走過一個光電開關管的位移,邏輯電路輸出發生跳變。光電開關管的寬度為6 mm,每發生一次跳變表示動子運動了6 mm。

把四個光電開關管(記為A、B、C、D)并排安裝作為一個模塊,A、B輸出信號相異或,C、D輸出信號相異或,兩個異或輸出信號再相或。邏輯真值表如下:

表1邏輯處理真值表

   可以看出,每有一個光電開關管輸出變化,邏輯處理結果是狀態發生翻轉,輸出一系列脈沖信號。對跳變計數即可計算出動子移動了多少距離。邏輯輸出波形如圖3所示。

   圖3光電開關管經邏輯處理的輸出波形

   使用光電開關管產生計數脈沖的另外一個目的是測速。由于動子每經過6 mm產生一次脈沖,記錄兩次跳變間隔時間就可以計算得出此段內的平均速度。采用單純的霍爾換相信號來計算速度,不能保證每次換相經過的距離都相等,且精度不高,有較大誤差,不利于速度閉環控制。而用光電開關管計數脈沖來計算速度實時性、準確性都較高,為后續的速度閉環控制提供了準確的速度信息,對提高系統控制效果有較大意義。

   但是,只采用光電檢測轉子位置,不能確定轉子的初始位置,必須采用其他方法使電機起動。把霍爾元件和光電開關管結合起來,則可以利用兩者的優點,彌補不足。

   用霍爾元件的檢測信號來確定起動時的電流方向,經過一次換相后改由光電開關管來確定換相點。樣機理論上的換相距離是24 mm,邏輯電路輸出發生四次跳變,表示動子移動了24 mm,到達下一個換相點。由DSP記錄發生跳變的次數并產生換相控制信號,驅動功率電路實現電流換相。

4結  語

   本文所述的霍爾元件和光電開關管相結合的轉子位置檢測方案,既有霍爾元件簡單可靠的優點,又有光電開關管檢測精度高的優點,增加了硬件冗余,提高了系統的可靠性。用光電開關管的信號來修正霍爾傳感器的誤差,使得位置檢測的精度提高,電流換相平穩,力脈動小,經試驗檢驗說明該方法可靠適用。但是這種檢測方法所需器件多,增加了硬件復雜度,還需要進一步改進。

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