稀土永磁無刷直流方波電機(jī)的原理與應(yīng)用

稀土永磁無刷直流方波電機(jī)的原理與應(yīng)用

1無刷直流電動(dòng)機(jī)的最佳驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件主要類型有三種類型：同步電機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和直流電機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn),但傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)均采用電刷,以機(jī)械方法進(jìn)行換向,因而帶來了噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等致命弱點(diǎn),再加上維修困難,從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍,并極大地阻礙了電動(dòng)機(jī)在機(jī)載雷達(dá)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用。而無刷直流電動(dòng)機(jī)則既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn),又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn),因此,它成為機(jī)載雷達(dá)伺服系統(tǒng)中的最佳驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。70年代以來,隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件,如GTR、MOSFET、IGBT等相繼出現(xiàn),以及高性能永磁材料的問世,都為無刷直流電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2基于位置傳感器的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電壓平衡方程稀土永磁無刷直流方波電機(jī)是一種新型無刷直流電動(dòng)機(jī),其相電勢(shì)為梯形波,電樞電流為120°矩形波。它的基本構(gòu)成包括電動(dòng)機(jī)本體、控制器和位置傳感器三部分,如圖1所示。電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似,但沒有籠型繞組和其它起動(dòng)裝置,其定子繞組一般制成多相,本文中討論的為三相Y接法,三相定子繞組分別與作為功率電子開關(guān)的橋式主回路(即逆變器)中相應(yīng)的功率開關(guān)管連接。由于采用脈寬調(diào)制控制,因此,電子開關(guān)電路由功率開關(guān)單元(即驅(qū)動(dòng)電路與橋式主回路)、位置傳感器信號(hào)處理單元和脈寬調(diào)制(PWM—脈沖寬度調(diào)制)器組成,用來控制電動(dòng)機(jī)定子各相繞組通電的順序與時(shí)間。轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)(2p=2,4,…)組成。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接,它將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號(hào),經(jīng)位置傳感器信號(hào)處理單元處理后,去控制功率電子開關(guān),使定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。隨著各相繞組按一定順序工作,在電機(jī)中就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。電機(jī)轉(zhuǎn)速則由PWM信號(hào)控制。對(duì)于稀土永磁無刷直流方波電機(jī),通常利用電動(dòng)機(jī)本身的相變量來建立數(shù)學(xué)模型。假設(shè)磁路不飽和,不計(jì)渦流和磁滯損耗,三相繞組完全對(duì)稱,則三相繞組的電壓平衡方程式可表示為???uaubuc???=???r000r000r??????iaibic???+???LMMMLMMML???P???iaibic???+???eaebec???(1)式中:P為微分算子P=d/dt;ua、ub、uc為定子相繞組電壓(單位為V),ia、ib、ic為定子相繞組電流(單位為A),ea、eb、ec為定子相繞組電動(dòng)勢(shì)(單位為V);L為每相繞組的自感(單位為H),M為每?jī)上嗬@組間的互感(單位為H)。由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子的位置變化而變化,因此,定子繞組的自感和互感為常數(shù)。當(dāng)三相繞組為Y連接,并且沒有中線時(shí),則有ia+ib+ic=0(2)Mib+Mic=-Mia(3)將式(2)和式(3)代入式(1),得到電壓方程式為???uaubuc???=???r000r000r??????iaibic???+???L?M000L?M000L?M???P???iaibic???+???eaebec???(4)電磁轉(zhuǎn)矩為無刷直流方波電機(jī)定子繞組的相電勢(shì)為式中:Ce為電勢(shì)常數(shù);N為相繞組的等效匝數(shù);n為電機(jī)轉(zhuǎn)速,pn為極對(duì)數(shù);H為主磁通。由于本系統(tǒng)為120°導(dǎo)通型三相PWM逆變器,任一時(shí)刻只有兩相通電,因此,對(duì)于每相繞組有如下電壓平衡方程式由此得出式中:Ud、Id為電機(jī)兩端的平均電壓與電流,RΣ為回路的等效總電阻,它包括電機(jī)兩相繞組和橋路開關(guān)管管壓降等的等效電阻。式(8)表明無刷直流方波電機(jī)的速度公式與普通直流電機(jī)相同,因此,無刷直流方波電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過改變直流電壓Ud來調(diào)節(jié),本系統(tǒng)的電壓Ud是通過調(diào)節(jié)PWM的占空比來實(shí)現(xiàn)的,此即為無刷直流方波電機(jī)的PWM調(diào)速原理。3非摩擦直接方波設(shè)備的設(shè)計(jì)控制器是無刷直流方波電機(jī)的三大組成部分之一,它主要包括逆變主回路、驅(qū)動(dòng)電路和控制電路三部分。3.1主電源和驅(qū)動(dòng)裝置的逆變量3.1.1調(diào)制式變換器無刷直流方波電機(jī)的逆變回路由功率開關(guān)管V1～V6組成橋式回路,如圖1所示,它是功率開關(guān)電路的核心部分。由于采用脈寬調(diào)制控制,因此,主回路為脈寬調(diào)制式變換器,簡(jiǎn)稱PWM變換器。PWM變換器分為不可逆和可逆兩類。不可逆PWM變換器僅在一、二兩個(gè)象限中運(yùn)行;可逆PWM變換器則可在四個(gè)象限中運(yùn)行,工作于正轉(zhuǎn)電動(dòng)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)電動(dòng)和反轉(zhuǎn)制動(dòng)四種狀態(tài),因而,伺服系統(tǒng)中多采用可逆PWM變換器?？赡鍼WM變換器常用H型橋式變換器結(jié)構(gòu)型式,它在控制上分為雙極式和單極式兩種。1雙極式可逆dm變換器d雙極式可逆PWM變換器電樞平均端電壓可表示為在圖2中,uv1、uv2、uv5、uv4為圖1中V1、V2、V5、V4的控制電壓。d=Ud/Us定義為PWM電壓的占空比,其變化范圍為-1≤d≤1。當(dāng)d為正值時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn);d為負(fù)值時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn);d=0時(shí),電機(jī)停止。雙極式可逆PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)為:電流一定連續(xù);可使電機(jī)在四個(gè)象限中運(yùn)行;電機(jī)停止時(shí)有微振電流,能消除靜摩擦死區(qū);低速時(shí),每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬,保證了晶體管的可靠導(dǎo)通;低速平穩(wěn)性好,調(diào)速范圍寬。雙極式可逆PWM變換器的缺點(diǎn)為:工作中,H橋的4個(gè)晶體管均處于開關(guān)狀態(tài),因此開關(guān)損耗大,而且上、下兩管容易發(fā)生橋臂直通,降低了可靠性。為了防止上、下兩管直通,在一管關(guān)斷另一管導(dǎo)通時(shí),應(yīng)加邏輯延時(shí)。2雙極式可逆dm變換器單極式可逆PWM變換器中,當(dāng)脈寬為0時(shí),電機(jī)停止,而當(dāng)脈寬為100%時(shí),電機(jī)則全速轉(zhuǎn)動(dòng)。單極式可逆PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)為:克服了雙極式可逆PWM變換器H橋上、下兩管容易發(fā)生橋臂直通的缺點(diǎn),提高了可靠性,對(duì)于靜、動(dòng)態(tài)性能要求低一些的系統(tǒng),可采用單極式可逆PWM變換器。單極式可逆PWM變換器的主要缺點(diǎn)為:電流容易斷續(xù),而電流斷續(xù)將使變換器的外特性變軟,從而使PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能變差。由于雙極式可逆PWM變換器具有的顯著優(yōu)點(diǎn),因此,在靜、動(dòng)態(tài)性能要求比較高的雷達(dá)伺服系統(tǒng)中應(yīng)采用雙極式可逆PWM變換器。3.1.2集成芯片的設(shè)計(jì)脈寬調(diào)制器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過邏輯延時(shí)后,與位置傳感器信號(hào)處理電路輸出的電機(jī)繞組選通信號(hào)合成后,送給驅(qū)動(dòng)電路作功率放大,以驅(qū)動(dòng)橋式主回路的電力晶體管,保證它飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷,每個(gè)電力晶體管應(yīng)有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路,橋臂上部晶體管的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)采用浮地驅(qū)動(dòng)技術(shù)。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,專用的驅(qū)動(dòng)集成電路已經(jīng)出現(xiàn)。如具有六路驅(qū)動(dòng)電路的集成芯片,甚至驅(qū)動(dòng)電路與橋式逆變主回路集成在一起的驅(qū)動(dòng)功率模塊也已出現(xiàn),它們具有集成度高、可靠性高、速度快、過流欠壓等保護(hù)齊備、調(diào)試方便等特點(diǎn),這對(duì)于縮小控制器的體積、提高可靠性具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。本文所討論的控制器設(shè)計(jì)就采用了驅(qū)動(dòng)電路與橋式逆變主回路集成在一起的驅(qū)動(dòng)功率模塊來設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路與三相橋式主回路。它是三相無刷直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊,其特點(diǎn)如下:·體積小,僅為76.2mm×53.34mm×9.91mm·高效的IGBT三相逆變橋,內(nèi)含快速反向恢復(fù)二極管·六個(gè)獨(dú)立的IGBT驅(qū)動(dòng)電路,內(nèi)含DC-DC變換器,提供浮地電源和基準(zhǔn)電源,具有橋臂直通保護(hù)功能,驅(qū)動(dòng)模塊能被5V或15V邏輯電平直接驅(qū)動(dòng)·具有保護(hù)輸入端子,能擴(kuò)展成短路、過流、過熱等保護(hù)·六狀態(tài)梯形波或正弦波驅(qū)動(dòng)·四象限運(yùn)行·額定電壓500V·額定電流30A·開關(guān)頻率可達(dá)25kHz筆者設(shè)計(jì)的無刷直流方波電機(jī)控制器已應(yīng)用在幾種型號(hào)的機(jī)載雷達(dá)伺服系統(tǒng)中,實(shí)踐證明用其設(shè)計(jì)的無刷直流方波電機(jī)控制器體積小、可靠性高、調(diào)試方便,完全能夠滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求。3.2通過模擬式脈寬調(diào)制器來使脈沖寬度不誤變脈寬調(diào)制器是一個(gè)電壓—脈沖變換裝置,由電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓進(jìn)行控制,為PWM變換器提供所需的脈沖信號(hào),其脈沖寬度與控制電壓成正比。常用的脈寬調(diào)制器有以下幾種:·用鋸齒波或三角波作調(diào)制信號(hào)的脈寬調(diào)制器·用多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的脈寬調(diào)制器·數(shù)字式脈寬調(diào)制器為了使脈沖寬度與控制電壓無誤差成正比地變換,筆者采用了三角波作調(diào)制信號(hào)的模擬式脈寬調(diào)制器,如圖3所示。圖中示出了控制電壓U=0,脈寬占空比為50%時(shí)的波形。在可逆雙極性PWM變換器中,H橋的上、下兩個(gè)晶體管經(jīng)常交替工作,由于晶體管具有關(guān)斷時(shí)間,在這段時(shí)間內(nèi)晶體管并未完全關(guān)斷,容易造成上、下兩管直通,從而使電源短路,為了避免發(fā)生這種情況,就要設(shè)置邏輯延時(shí)加以保護(hù)。3.3信號(hào)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)位置傳感器信號(hào)處理電路就是把轉(zhuǎn)子位置傳感器(如霍爾檢測(cè)電路)的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)其處理后,去控制三相橋式主回路中V1～V6的開通順序,參見圖1中的橋式主回路,從而控制電機(jī)三相繞組的導(dǎo)通次序,即控制換相,使得電機(jī)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)?，F(xiàn)對(duì)位置傳感器信號(hào)處理電路的換相邏輯作一簡(jiǎn)單介紹,以筆者所用無刷直流方波電機(jī)為例,該電機(jī)為兩兩通電方式,三相Y連接。兩兩通電方式為每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通,每隔60°電角度換相一次,每次換相一個(gè)功率管,每一功率管導(dǎo)通120°電角度。各功率管導(dǎo)通順序是V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1、…。功率管V1和V2導(dǎo)通時(shí),電流從A相繞組流入,再從C相繞組流出。如設(shè)流入繞組的電流為正,則流出繞組的電流為負(fù),它們的合成轉(zhuǎn)矩為Tac=3√Ta,方向如圖4a所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過60°電角度后,由V1V2通電換成V2V3通電,這時(shí)電流從V3流入B相繞組再從C相繞組流出,經(jīng)V2回到電源,合成的轉(zhuǎn)矩為Tbc=3√Ta,其方向轉(zhuǎn)過了60°電角度,如圖4b所示。而后每次換相一個(gè)功率管,合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過60°電角度,圖4c示出了全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。若三只霍爾檢測(cè)元件彼此相差120°電角度安裝,一周內(nèi)各相繞組通電順序與三只霍爾元件輸出信號(hào)的邏輯關(guān)系,如表1所示。根據(jù)表1所示的邏輯關(guān)系,就可設(shè)計(jì)出位置傳感器信號(hào)處理電路。筆者就是根據(jù)以上的邏輯關(guān)系應(yīng)用GAL元件來設(shè)計(jì)位置傳感器信號(hào)處理電路。3.4流量控制高性能的無刷直流電機(jī)均采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電機(jī)電流的幅值給定。電流環(huán)主要包括電流檢測(cè)反饋與電流調(diào)節(jié)器兩部分。3.4.1模擬開關(guān)選通邏輯的建立傳統(tǒng)的無刷直流電機(jī)電流控制采用一般三相交流電機(jī)的電流控制結(jié)構(gòu),即用三個(gè)獨(dú)立的電流閉環(huán),但這種電流控制結(jié)構(gòu)的控制電路復(fù)雜,需要三個(gè)電流調(diào)節(jié)器,由于三個(gè)電流調(diào)節(jié)器很難做到完全一致,因而不利于三相電機(jī)電流的對(duì)稱。無刷直流電機(jī)采用電流分時(shí)反饋技術(shù)后,只需要一個(gè)電流調(diào)節(jié)器就可實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)電流的閉環(huán)控制,與直流電動(dòng)機(jī)的電流閉環(huán)控制很相似。由無刷直流電機(jī)工作原理知道,電機(jī)相電流基波是120°矩形波,因而任一時(shí)刻只有兩相通電,類似于一個(gè)直流電機(jī),電流的換相由轉(zhuǎn)子位置傳感器發(fā)出的轉(zhuǎn)子位置邏輯信號(hào)控制。設(shè)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器發(fā)出的轉(zhuǎn)子位置邏輯信號(hào)分別為H1、H2、H3,在無刷直流電機(jī)的三相繞組上各串一個(gè)電流傳感器進(jìn)行電流檢測(cè),傳感器的輸出量正比于原方電流,分別為Uia、Uib和Uic,可以用三選一模擬開關(guān)和可編程邏輯電路GAL很容易地實(shí)現(xiàn)電流分時(shí)反饋,圖5示出了其邏輯框圖,以Uia、Uib和Uic為模擬開關(guān)的輸入量,輸出量為反映電機(jī)電樞電流的Uid,SWA、SWB和SWC表示選通信號(hào)。通過對(duì)無刷直流電機(jī)四象限工作過程的分析,得出模擬開關(guān)的選通邏輯真值表2。本控制器中電流檢測(cè)采用根據(jù)磁場(chǎng)補(bǔ)償原理制成的霍爾效應(yīng)電流互感器——LEM模塊,其特點(diǎn)為可以測(cè)量任意波形的電流、動(dòng)態(tài)性能好、頻帶較寬、線性度好,失真小、原邊與副邊高度絕緣、測(cè)量范圍寬。3.4.2電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)控制器的電流調(diào)節(jié)器采用模擬PI調(diào)節(jié)器,輸入電路為兩個(gè)T型濾波器,作為給定信號(hào)與反饋信號(hào)濾波,其原理圖如圖6所示?？梢宰C明其中為使系統(tǒng)的超調(diào)小,過渡過程時(shí)間短,電流環(huán)可按典型Ⅰ型系統(tǒng)校正,電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7所式。其中:Kv為PWM變換器的靜態(tài)電壓放大系數(shù);Tv為PWM變換器的時(shí)間常數(shù);Ra為電樞回路總電阻;TL為電樞回路時(shí)間常數(shù);Kfi為反饋回路的靜態(tài)電壓放大系數(shù);Tfi為反饋回路慣性滯后時(shí)間常數(shù)。3.5速度檢測(cè)系統(tǒng)在伺服控制系統(tǒng)中,速度環(huán)與位置環(huán)通常采用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制,其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試方便,控制策略改動(dòng)容易。由于速度環(huán)要受到經(jīng)常性的負(fù)載擾動(dòng),為使其具有良好的抗擾性能,因此,系統(tǒng)的速度環(huán)可按Ⅱ型系統(tǒng)校正。速度檢測(cè)器通常有測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、磁編碼器以及由旋轉(zhuǎn)變壓器-RDC取出的速度信號(hào)等