直流无刷电机

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发表于 2016-12-12 22:30:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 Joy_zou 于 2016-12-12 22:32 编辑

工作原理无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体 ,为了检测电动机转子的极性,在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是:接受电动机的启动、停止、制动信号,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。
直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能,但直流电机的优点也正是它的缺点,因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能,则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°,这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外,使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子,免维护、坚固、应用广,但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多,提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快,可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直角坐标系统中,适当控制交流电机在两轴电流分量,达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。
此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中,而且体积越来越小;像模拟/数字转换器(analog-to-digital converter,adc)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator,pwm)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相,得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。
直流无刷电机结构
直流无刷电机是同步电机的一种,也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(p)影响:
n=60.f / p。在转子极数固定情况下,改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器),控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正,以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。
直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) :电源部提供三相电源给电机,控制部则依需求转换输入电源频率。
电源部可以直接以直流电输入(一般为24v)或以交流电输入(110v/220 v),如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(q1~q6)分为上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供pwm(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制,所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor),做为速度之闭回路控制,同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。
直流无刷电机特点
1、可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速;
2、具有传统直流电机的优点,同时又取消了碳刷、滑环结构;
3、可以低速大功率运行,可以省去减速机直接驱动大的负载;
4、体积小、重量轻、出力大;
5、转矩特性优异,中、低速转矩性能好,启动转矩大,启动电流小;
6、无级调速,调速范围广,过载能力强;
7、软启软停、制动特性好,可省去原有的机械制动或电磁制动装置;
8、效率高,电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗,消除了多级减速耗,综合节电率可达20%~60%。
9、可靠性高,稳定性好,适应性强,维修与保养简单;
10、耐颠簸震动,噪音低,震动小,运转平滑,寿命长;
11、不产生火花,特别适合爆炸性场所,有防爆型;
12、根据需要可选梯形波磁场电机和正弦波磁场电机。
直流无刷电机控制
一般的自同步无刷直流电动机逆变器和驱动的结构图如图1所示。图中所示之驱动系统通常较多用于电压源逆变器(VSI)。电压源逆变器的对应是电流源逆变器(CSI)。VSI之所以较为广泛运用是因为其成本、重量、动态性能,以及易于控制均优于CSI。两种逆变器重量和成本的差异是由于VSI采用电容器进行直流耦合,而CSI须要在整流器和逆变器之间接有笨重的电抗器。VSI在动态响应能力上也与CSI不同。由于大的电抗器的作用就是满足CSI作为恒流源的较大的换向重叠角的需要,防止电机绕组中电流的快速变化,抑制电机的高速伺服运行。这就会加大驱动系统中阻尼器的尺寸。对于CSI所期望得到的恒流控制和恒转矩控制性能,在VSI中,也可通过其内部的电流控制环中滞后型电流控制而近似得到。
术语“自同步”指的是为了定子相电流脉冲与电机各相反电势一致所需正确的各管导通顺序,驱动电路对即时转子位置信息的要求。
图2是无刷直流电动机一经典的位置和转速控制方案的方框图。如果仅仅期望转速控制,可以将位置控制器和位置反馈电路去掉。通常在高性能的位置控制器中位置和转速传感器都是需要的。如果仅有位置传感器而没有转速传感器,那就要求检测位置信号的差异,在模拟系统中就要导致噪声的放大;而在数字系统中这不是问题。对于位置和转速控制的无刷直流电动机,位置传感器或者是其他获取转子位置信息的元件是一定要的。
直流无刷电机
优点
a) 电子换向来代替传统的机械换向,性能可靠、永无磨损、故障率低,寿命比有刷电机提高了约6倍,代表了电动机的发展方向;
b) 属静态电机,空载电流小;
c) 效率高;
d) 体积小。
缺点
a) 低速起动时有轻微振动,如速度加大换相频率增大,就感觉不到振动现象了;
b) 价格高,控制器要求高;
c) 易形成共振,因为任何一件东西都有一个固有振动频率,如果无刷电机的振动频率与车架或塑料件的振动频率相同或接近时就容易形成共振现象,但可以通过调整将共振现象减小到最小程度。所以采用无刷电机驱动的电动车有时会发出一种嗡嗡的声音是一种正常的现象。
直流有刷电机
优点:
a) 变速平稳,几乎感觉不到振动;
b)温升低,可靠性好;
c) 价格低,所以被较多厂家选用。
缺点:
a) 碳刷易磨损,更换较为麻烦,寿命短;
b) 运行电流大,电机磁钢易退磁,降低了电机的寿命。
直流无刷电机操作
要让电机转动起来,首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子所在位置,然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序, inverter中之ah、bh、ch(这些称为上臂功率晶体管)及al、bl、cl(这些称为下臂功率晶体管),使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场,并与转子的磁铁相互作用,如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时,控制部又再开启下一组功率晶体管,如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管);要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。
基本上功率晶体管的开法可举例如下:
ah、bl一组→ah、cl一组→bh、cl一组→bh、al一组→ch、al一组→ch、bl一组
但绝不能开成ah、al或bh、bl或ch、cl。此外因为电子零件总有开关的响应时间,所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去,否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭,下臂(或上臂)就已开启,结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。

直流无刷电机PID控制
一般PID控制如下 :
Kp 控制(比例控制) :输出与输入误差讯号成正比关系,即将误差固定比例修正,但系统会有稳态误差。
Ti 控制(积分控制) :当系统进入稳态有稳态误差时,将误差取时间的积分,即便误差很小也能随时间增加而加大,使稳态误差减小直到为零。
Td 控制(微分控制):当系统在克服误差时,其变化总是落后于误差变化,表示系统存在较大惯性组件或(且)有滞后组件。微分即是预测误差变化的趋势以便提前作用避免被控量严重冲过头。
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