第4章3無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1、1第四章 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)n引言引言n有刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系有刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系n無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理n無刷直流電動(dòng)機(jī)的位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)的位置傳感器n無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)電路無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)電路n無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)及應(yīng)用無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)及應(yīng)用內(nèi)容提要內(nèi)容提要2 方波無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方波無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 正弦波正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) （交流永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)）（交流永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)）4.5 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)及應(yīng)用無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)及應(yīng)用34.5.1 方波無刷直流電動(dòng)機(jī)控制

2、系統(tǒng)方波無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)1. 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理圖無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理圖轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。速度由角度計(jì)算獲得轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。速度由角度計(jì)算獲得42. 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理n速度計(jì)算速度計(jì)算 根據(jù)位置信息，計(jì)算轉(zhuǎn)速根據(jù)位置信息，計(jì)算轉(zhuǎn)速 n速度調(diào)節(jié)器（速度調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)）根據(jù)速度誤差，計(jì)算調(diào)節(jié)器輸出，并作為根據(jù)速度誤差，計(jì)算調(diào)節(jié)器輸出，并作為電流電流幅值給定幅值給定nt位置傳感器輸出的角度增量位置傳感器輸出的角度增量采樣間隔采樣間隔*PIIKnKndt 52. 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理n譯碼邏輯及電流調(diào)節(jié)器譯碼邏輯及電流調(diào)節(jié)器根據(jù)位置信號(hào)計(jì)算各個(gè)功率器件

3、的使能開關(guān)狀態(tài)，并與根據(jù)位置信號(hào)計(jì)算各個(gè)功率器件的使能開關(guān)狀態(tài)，并與電流給定相乘，獲得每相繞組的電流給定電流給定相乘，獲得每相繞組的電流給定與反饋電流相比較，并進(jìn)行電流閉環(huán)調(diào)節(jié)與反饋電流相比較，并進(jìn)行電流閉環(huán)調(diào)節(jié)62. 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理n脈寬調(diào)制算法脈寬調(diào)制算法將電流調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為將電流調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)信號(hào)n功率驅(qū)動(dòng)電路功率驅(qū)動(dòng)電路接收接收PWM信號(hào)，產(chǎn)生逆變電壓帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)信號(hào)，產(chǎn)生逆變電壓帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行運(yùn)行7 兩相通電方式兩相通電方式通電邏輯：通電邏輯：每隔每隔60度改變一次通電狀態(tài)度改變一次通電狀態(tài)繞組通電電流波形繞組通電電流波形CBBAACCBBAAC3.

4、 電流波形及功率器件的工作狀態(tài)電流波形及功率器件的工作狀態(tài)1 2 3 4 5 6 11 2 34 5 6 下面分析橋式電路各功率器件的下面分析橋式電路各功率器件的工作狀態(tài)工作狀態(tài)8VUWVUWVUWVUWVUWVUW: Winding/ Coil3. 電流波形及功率器件的工作狀態(tài)電流波形及功率器件的工作狀態(tài)CBBAACCBBAAC9 橋式驅(qū)動(dòng)電路各功率器件的使能信號(hào)（高電平導(dǎo)通）橋式驅(qū)動(dòng)電路各功率器件的使能信號(hào)（高電平導(dǎo)通）3. 電流波形及功率器件的工作狀態(tài)電流波形及功率器件的工作狀態(tài)繞組通電電流波形繞組通電電流波形使能信號(hào)使能信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路104. 位置信號(hào)及譯碼邏輯位置信號(hào)及譯碼邏輯

5、n作用作用 通過位置信號(hào)，并經(jīng)過譯碼，產(chǎn)生各功率器件的使能信號(hào)通過位置信號(hào)，并經(jīng)過譯碼，產(chǎn)生各功率器件的使能信號(hào)n位置信號(hào)形式位置信號(hào)形式n原則：原則： 在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生6處躍變的不重復(fù)的位置信號(hào)處躍變的不重復(fù)的位置信號(hào)n理想情況：理想情況： 可以由位置傳感器產(chǎn)生六路與所需控制信號(hào)相同的位置可以由位置傳感器產(chǎn)生六路與所需控制信號(hào)相同的位置 信號(hào)，直接用于驅(qū)動(dòng)六個(gè)功率器件信號(hào)，直接用于驅(qū)動(dòng)六個(gè)功率器件n問題問題： 需要安裝需要安裝6個(gè)位置傳感器個(gè)位置傳感器114. 位置信號(hào)及譯碼邏輯位置信號(hào)及譯碼邏輯n位置信號(hào)形式位置信號(hào)形式n實(shí)際情況實(shí)際情況 在每相繞組所處位置在每相繞組所處位

6、置的磁密過零點(diǎn)開始，的磁密過零點(diǎn)開始，位置信號(hào)延時(shí)位置信號(hào)延時(shí)30度度實(shí)際位置信號(hào)實(shí)際位置信號(hào)124. 位置信號(hào)及譯碼邏輯位置信號(hào)及譯碼邏輯n譯碼邏輯譯碼邏輯 根據(jù)位置信號(hào)計(jì)算出使能信號(hào)根據(jù)位置信號(hào)計(jì)算出使能信號(hào)使能信號(hào)使能信號(hào)位置信號(hào)位置信號(hào)A1VABHHA2VABHHB1VBCHHB2VBCHHC1VCAHHC2VCAHH135. 電流閉環(huán)控制電流閉環(huán)控制n用于對各相繞組電流幅值進(jìn)行控制用于對各相繞組電流幅值進(jìn)行控制n基本原理基本原理電 路電 流單相通電單相通電兩相通電兩相通電 根據(jù)獲得的電流幅值給定值，通過電流調(diào)節(jié)器獲得逆變電壓根據(jù)獲得的電流幅值給定值，通過電流調(diào)節(jié)器獲得逆變電壓的給定值

7、，再通過的給定值，再通過PWM算法獲得各個(gè)功率器件的開關(guān)信號(hào)算法獲得各個(gè)功率器件的開關(guān)信號(hào)146. 反向旋轉(zhuǎn)控制方法反向旋轉(zhuǎn)控制方法n特點(diǎn)特點(diǎn)n位置信號(hào)的形式不發(fā)生變化位置信號(hào)的形式不發(fā)生變化n原來所處位置的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該變?yōu)樵瓉硭幬恢玫霓D(zhuǎn)矩應(yīng)該變?yōu)橄喾捶较蛳喾捶较騨實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)方法n相對應(yīng)的繞組電流方向取反相對應(yīng)的繞組電流方向取反n上下橋臂對應(yīng)的使能信號(hào)對調(diào)上下橋臂對應(yīng)的使能信號(hào)對調(diào)156. 反向旋轉(zhuǎn)控制方法反向旋轉(zhuǎn)控制方法123456167. 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)速度給定速度給定調(diào)速旋鈕調(diào)速旋鈕供電電路供電電路驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路電流采樣電流采樣速度調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)M三相橋電路

8、三相橋電路2E72GA2E72GSSAC譯碼譯碼及電流控制及電流控制2E72GSSAC2E72GSSAC三相無刷直流電機(jī)三相無刷直流電機(jī)位置信號(hào)反位置信號(hào)反饋饋電源電源微控制器微控制器178. 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例n應(yīng)用于高速場合，降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對性能的應(yīng)用于高速場合，降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對性能的影響影響n應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例n計(jì)算機(jī)軟盤、光盤、硬盤驅(qū)動(dòng)器（單向）計(jì)算機(jī)軟盤、光盤、硬盤驅(qū)動(dòng)器（單向）n工業(yè)生產(chǎn)，高速離心機(jī)，銑床工業(yè)生產(chǎn)，高速離心機(jī)，銑床n民用，空調(diào)，洗衣機(jī)，電動(dòng)自行車民用，空調(diào)，洗衣機(jī)，電動(dòng)自行車n飛機(jī)尾翼控制、微型直升機(jī)飛機(jī)尾翼控制、微型直升機(jī)184.5.2 正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)正弦波

9、無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)電流為三相對稱正弦波形，速度由角度計(jì)算獲得電流為三相對稱正弦波形，速度由角度計(jì)算獲得正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)19位置傳感器：旋轉(zhuǎn)變壓器位置傳感器：旋轉(zhuǎn)變壓器+2S80 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)正弦值，角度值作為地址，存儲(chǔ)器的輸出作為存儲(chǔ)器存儲(chǔ)正弦值，角度值作為地址，存儲(chǔ)器的輸出作為 兩相標(biāo)準(zhǔn)兩相標(biāo)準(zhǔn)正弦波，再經(jīng)正弦波，再經(jīng)D/A變換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電流幅值給定相乘，獲得三相電流變換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電流幅值給定相乘，獲得三相電流給定值給定值三相正弦波生成電路三相正弦波生成電路20三相正弦波生成電路三相正弦波生成電路由位置

10、信號(hào)獲得正弦值的工作原理由位置信號(hào)獲得正弦值的工作原理在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)正弦表，根據(jù)不同的地址即可輸出對應(yīng)的在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)正弦表，根據(jù)不同的地址即可輸出對應(yīng)的正弦值正弦值21三相正弦波生成電路三相正弦波生成電路位置傳感器：旋轉(zhuǎn)變壓器位置傳感器：旋轉(zhuǎn)變壓器+相敏解調(diào)電路相敏解調(diào)電路 獲得三相標(biāo)準(zhǔn)正弦波獲得三相標(biāo)準(zhǔn)正弦波 標(biāo)準(zhǔn)正弦波與電流幅值經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)正弦波與電流幅值經(jīng)過D/A變換變換，獲得三相電流給定值，獲得三相電流給定值相敏電路相敏電路22三相正弦波生成電路三相正弦波生成電路位置傳感器：旋轉(zhuǎn)變壓器位置傳感器：旋轉(zhuǎn)變壓器+相敏解調(diào)電路相敏解調(diào)電路 獲得三相標(biāo)準(zhǔn)正弦波獲得三相標(biāo)準(zhǔn)正弦波 標(biāo)準(zhǔn)正弦波與電流

11、幅值經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)正弦波與電流幅值經(jīng)過D/A變換變換，獲得三相電流給定值，獲得三相電流給定值正弦波生成電路正弦波生成電路23數(shù)字式實(shí)現(xiàn)方法數(shù)字式實(shí)現(xiàn)方法 位置信號(hào)：位置信號(hào)：根據(jù)位置信號(hào)獲得絕對起始角度，根據(jù)高頻脈沖信根據(jù)位置信號(hào)獲得絕對起始角度，根據(jù)高頻脈沖信號(hào)獲得實(shí)時(shí)角度號(hào)獲得實(shí)時(shí)角度 三相電流給定：三相電流給定：計(jì)算實(shí)時(shí)角度的正弦值，與給定電流幅值相乘計(jì)算實(shí)時(shí)角度的正弦值，與給定電流幅值相乘以此為基礎(chǔ)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制以此為基礎(chǔ)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制目前廣泛采用這種方式目前廣泛采用這種方式位置傳感器：位置傳感器：混合式光電編碼器混合式光電編碼器24電流閉環(huán)控制方法電流閉環(huán)控制方法 常用

12、的一種電流閉環(huán)控制方法是電流滯環(huán)跟蹤 PWM（Current Hysteresis Band P W M C H B P W M ） 控 制 。25滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制原理滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制原理 電流滯環(huán)跟蹤控制的A相原理圖負(fù)載L+-iiaia*V1V42Ud2UdVD4VD1HBC26 圖中，電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為2h。 將給定電流 i*a 與輸出電流 ia 進(jìn)行比較，電流偏差 ia 超過時(shí) h，經(jīng)滯環(huán)控制器HBC控制逆變器 A相上（或下）橋臂的功率器件動(dòng)作。B、C 二相的原理圖均與此相同。滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制原理滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制原理 27n如果， ia i

13、*a ， 且i*a - ia h，滯環(huán)控制器 HBC輸出正電平，驅(qū)動(dòng)上橋臂功率開關(guān)器件V1導(dǎo)通，變壓變頻器輸出正電壓，使增大。當(dāng)增長到與相等時(shí)，雖然，但HBC仍保持正電平輸出，保持導(dǎo)通，使繼續(xù)增大n直到達(dá)到ia = i*a + h ， ia = h ，使滯環(huán)翻轉(zhuǎn)，HBC輸出負(fù)電平，關(guān)斷V1 ，并經(jīng)延時(shí)后驅(qū)動(dòng)V4滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制原理滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制原理 28滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流 O圖6-23tiii*+Ii*-Ii*電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)的電流波形29三相電流跟蹤型PWM逆變電路 三相電流跟蹤型PWM逆變電路 +-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2

14、V5UdUVW30三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形 圖6-25Oti*UOtuABiUi31先進(jìn)控制技術(shù)先進(jìn)控制技術(shù)n前述簡易正弦波控制方法為基于靜止坐標(biāo)系下前述簡易正弦波控制方法為基于靜止坐標(biāo)系下的交流電流控制方法的交流電流控制方法n先進(jìn)的矢量控制技術(shù)：以電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型為先進(jìn)的矢量控制技術(shù)：以電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行基于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變基礎(chǔ)，進(jìn)行基于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，將交流量變換為直流量，進(jìn)行閉環(huán)控制，換，將交流量變換為直流量，進(jìn)行閉環(huán)控制，可獲得高精度控制性能可獲得高精度控制性能32特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)及應(yīng)用n特點(diǎn)特點(diǎn)n轉(zhuǎn)矩連續(xù)，且無轉(zhuǎn)矩波動(dòng)轉(zhuǎn)矩連續(xù)，且無轉(zhuǎn)矩波動(dòng)n轉(zhuǎn)速控制精度高轉(zhuǎn)速控制精度高n應(yīng)用應(yīng)用n數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床n機(jī)器人機(jī)器人n電梯門機(jī)電梯門機(jī)n家用電器家用電器33無位置傳感器控制技術(shù)無位置傳感器控制技術(shù)n有些場合，例如微結(jié)構(gòu)、苛刻環(huán)境下，以及