稀土永磁无刷直流方波电机的原理与应用

稀土永磁无刷直流方波电机的原理与应用

1无刷直流电动机的最佳驱动执行元件主要类型有三种类型：同步电机、异步电动机和直流电机。直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点,但传统的直流电动机均采用电刷,以机械方法进行换向,因而带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点,再加上维修困难,从而大大地限制了它的应用范围,并极大地阻碍了电动机在机载雷达伺服系统中的应用。而无刷直流电动机则既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电动机的运行效率高、调速性能好等诸多特点,因此,它成为机载雷达伺服系统中的最佳驱动执行元件。70年代以来,随着电力电子技术的飞速发展,许多新型的高性能半导体功率器件,如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现,以及高性能永磁材料的问世,都为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。2基于位置传感器的转子旋转电机的电压平衡方程稀土永磁无刷直流方波电机是一种新型无刷直流电动机,其相电势为梯形波,电枢电流为120°矩形波。它的基本构成包括电动机本体、控制器和位置传感器三部分,如图1所示。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似,但没有笼型绕组和其它起动装置,其定子绕组一般制成多相,本文中讨论的为三相Y接法,三相定子绕组分别与作为功率电子开关的桥式主回路(即逆变器)中相应的功率开关管连接。由于采用脉宽调制控制,因此,电子开关电路由功率开关单元(即驱动电路与桥式主回路)、位置传感器信号处理单元和脉宽调制(PWM—脉冲宽度调制)器组成,用来控制电动机定子各相绕组通电的顺序与时间。转子由永久磁钢按一定极对数(2p=2,4,…)组成。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接,它将转子磁钢位置变换成电信号,经位置传感器信号处理单元处理后,去控制功率电子开关,使定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。随着各相绕组按一定顺序工作,在电机中就产生了旋转磁场,从而使转子旋转。电机转速则由PWM信号控制。对于稀土永磁无刷直流方波电机,通常利用电动机本身的相变量来建立数学模型。假设磁路不饱和,不计涡流和磁滞损耗,三相绕组完全对称,则三相绕组的电压平衡方程式可表示为⎡⎣⎢uaubuc⎤⎦⎥=⎡⎣⎢r000r000r⎤⎦⎥⎡⎣⎢iaibic⎤⎦⎥+⎡⎣⎢LMMMLMMML⎤⎦⎥P⎡⎣⎢iaibic⎤⎦⎥+⎡⎣⎢eaebec⎤⎦⎥(1)式中:P为微分算子P=d/dt;ua、ub、uc为定子相绕组电压(单位为V),ia、ib、ic为定子相绕组电流(单位为A),ea、eb、ec为定子相绕组电动势(单位为V);L为每相绕组的自感(单位为H),M为每两相绕组间的互感(单位为H)。由于转子磁阻不随转子的位置变化而变化,因此,定子绕组的自感和互感为常数。当三相绕组为Y连接,并且没有中线时,则有ia+ib+ic=0(2)Mib+Mic=-Mia(3)将式(2)和式(3)代入式(1),得到电压方程式为⎡⎣⎢uaubuc⎤⎦⎥=⎡⎣⎢r000r000r⎤⎦⎥⎡⎣⎢iaibic⎤⎦⎥+⎡⎣⎢L−M000L−M000L−M⎤⎦⎥P⎡⎣⎢iaibic⎤⎦⎥+⎡⎣⎢eaebec⎤⎦⎥(4)电磁转矩为无刷直流方波电机定子绕组的相电势为式中:Ce为电势常数;N为相绕组的等效匝数;n为电机转速,pn为极对数;H为主磁通。由于本系统为120°导通型三相PWM逆变器,任一时刻只有两相通电,因此,对于每相绕组有如下电压平衡方程式由此得出式中:Ud、Id为电机两端的平均电压与电流,RΣ为回路的等效总电阻,它包括电机两相绕组和桥路开关管管压降等的等效电阻。式(8)表明无刷直流方波电机的速度公式与普通直流电机相同,因此,无刷直流方波电机的转速可以通过改变直流电压Ud来调节,本系统的电压Ud是通过调节PWM的占空比来实现的,此即为无刷直流方波电机的PWM调速原理。3非摩擦直接方波设备的设计控制器是无刷直流方波电机的三大组成部分之一,它主要包括逆变主回路、驱动电路和控制电路三部分。3.1主电源和驱动装置的逆变量3.1.1调制式变换器无刷直流方波电机的逆变回路由功率开关管V1～V6组成桥式回路,如图1所示,它是功率开关电路的核心部分。由于采用脉宽调制控制,因此,主回路为脉宽调制式变换器,简称PWM变换器。PWM变换器分为不可逆和可逆两类。不可逆PWM变换器仅在一、二两个象限中运行;可逆PWM变换器则可在四个象限中运行,工作于正转电动、正转制动、反转电动和反转制动四种状态,因而,伺服系统中多采用可逆PWM变换器。可逆PWM变换器常用H型桥式变换器结构型式,它在控制上分为双极式和单极式两种。1双极式可逆dm变换器d双极式可逆PWM变换器电枢平均端电压可表示为在图2中,uv1、uv2、uv5、uv4为图1中V1、V2、V5、V4的控制电压。d=Ud/Us定义为PWM电压的占空比,其变化范围为-1≤d≤1。当d为正值时,电机正转;d为负值时,电机反转;d=0时,电机停止。双极式可逆PWM变换器的优点为:电流一定连续;可使电机在四个象限中运行;电机停止时有微振电流,能消除静摩擦死区;低速时,每个晶体管的驱动脉冲仍较宽,保证了晶体管的可靠导通;低速平稳性好,调速范围宽。双极式可逆PWM变换器的缺点为:工作中,H桥的4个晶体管均处于开关状态,因此开关损耗大,而且上、下两管容易发生桥臂直通,降低了可靠性。为了防止上、下两管直通,在一管关断另一管导通时,应加逻辑延时。2双极式可逆dm变换器单极式可逆PWM变换器中,当脉宽为0时,电机停止,而当脉宽为100%时,电机则全速转动。单极式可逆PWM变换器的优点为:克服了双极式可逆PWM变换器H桥上、下两管容易发生桥臂直通的缺点,提高了可靠性,对于静、动态性能要求低一些的系统,可采用单极式可逆PWM变换器。单极式可逆PWM变换器的主要缺点为:电流容易断续,而电流断续将使变换器的外特性变软,从而使PWM调速系统的静、动态性能变差。由于双极式可逆PWM变换器具有的显著优点,因此,在静、动态性能要求比较高的雷达伺服系统中应采用双极式可逆PWM变换器。3.1.2集成芯片的设计脉宽调制器输出的脉冲信号经过逻辑延时后,与位置传感器信号处理电路输出的电机绕组选通信号合成后,送给驱动电路作功率放大,以驱动桥式主回路的电力晶体管,保证它饱和导通和可靠关断,每个电力晶体管应有独立的驱动电路,桥臂上部晶体管的驱动电路应采用浮地驱动技术。随着集成电路技术的发展,专用的驱动集成电路已经出现。如具有六路驱动电路的集成芯片,甚至驱动电路与桥式逆变主回路集成在一起的驱动功率模块也已出现,它们具有集成度高、可靠性高、速度快、过流欠压等保护齐备、调试方便等特点,这对于缩小控制器的体积、提高可靠性具有显著的优点。本文所讨论的控制器设计就采用了驱动电路与桥式逆变主回路集成在一起的驱动功率模块来设计驱动电路与三相桥式主回路。它是三相无刷直流电机功率驱动模块,其特点如下:·体积小,仅为76.2mm×53.34mm×9.91mm·高效的IGBT三相逆变桥,内含快速反向恢复二极管·六个独立的IGBT驱动电路,内含DC-DC变换器,提供浮地电源和基准电源,具有桥臂直通保护功能,驱动模块能被5V或15V逻辑电平直接驱动·具有保护输入端子,能扩展成短路、过流、过热等保护·六状态梯形波或正弦波驱动·四象限运行·额定电压500V·额定电流30A·开关频率可达25kHz笔者设计的无刷直流方波电机控制器已应用在几种型号的机载雷达伺服系统中,实践证明用其设计的无刷直流方波电机控制器体积小、可靠性高、调试方便,完全能够满足系统的性能指标要求。3.2通过模拟式脉宽调制器来使脉冲宽度不误变脉宽调制器是一个电压—脉冲变换装置,由电流调节器输出的控制电压进行控制,为PWM变换器提供所需的脉冲信号,其脉冲宽度与控制电压成正比。常用的脉宽调制器有以下几种:·用锯齿波或三角波作调制信号的脉宽调制器·用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制器·数字式脉宽调制器为了使脉冲宽度与控制电压无误差成正比地变换,笔者采用了三角波作调制信号的模拟式脉宽调制器,如图3所示。图中示出了控制电压U=0,脉宽占空比为50%时的波形。在可逆双极性PWM变换器中,H桥的上、下两个晶体管经常交替工作,由于晶体管具有关断时间,在这段时间内晶体管并未完全关断,容易造成上、下两管直通,从而使电源短路,为了避免发生这种情况,就要设置逻辑延时加以保护。3.3信号电子系统设计位置传感器信号处理电路就是把转子位置传感器(如霍尔检测电路)的检测信号经其处理后,去控制三相桥式主回路中V1～V6的开通顺序,参见图1中的桥式主回路,从而控制电机三相绕组的导通次序,即控制换相,使得电机中产生旋转磁场。现对位置传感器信号处理电路的换相逻辑作一简单介绍,以笔者所用无刷直流方波电机为例,该电机为两两通电方式,三相Y连接。两两通电方式为每一瞬间有两个功率管导通,每隔60°电角度换相一次,每次换相一个功率管,每一功率管导通120°电角度。各功率管导通顺序是V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1、…。功率管V1和V2导通时,电流从A相绕组流入,再从C相绕组流出。如设流入绕组的电流为正,则流出绕组的电流为负,它们的合成转矩为Tac=3√Ta,方向如图4a所示。当电动机转过60°电角度后,由V1V2通电换成V2V3通电,这时电流从V3流入B相绕组再从C相绕组流出,经V2回到电源,合成的转矩为Tbc=3√Ta,其方向转过了60°电角度,如图4b所示。而后每次换相一个功率管,合成转矩矢量方向就随着转过60°电角度,图4c示出了全部合成转矩的方向。若三只霍尔检测元件彼此相差120°电角度安装,一周内各相绕组通电顺序与三只霍尔元件输出信号的逻辑关系,如表1所示。根据表1所示的逻辑关系,就可设计出位置传感器信号处理电路。笔者就是根据以上的逻辑关系应用GAL元件来设计位置传感器信号处理电路。3.4流量控制高性能的无刷直流电机均采用转速电流双闭环控制,转速调节器的输出作为电机电流的幅值给定。电流环主要包括电流检测反馈与电流调节器两部分。3.4.1模拟开关选通逻辑的建立传统的无刷直流电机电流控制采用一般三相交流电机的电流控制结构,即用三个独立的电流闭环,但这种电流控制结构的控制电路复杂,需要三个电流调节器,由于三个电流调节器很难做到完全一致,因而不利于三相电机电流的对称。无刷直流电机采用电流分时反馈技术后,只需要一个电流调节器就可实现三相电机电流的闭环控制,与直流电动机的电流闭环控制很相似。由无刷直流电机工作原理知道,电机相电流基波是120°矩形波,因而任一时刻只有两相通电,类似于一个直流电机,电流的换相由转子位置传感器发出的转子位置逻辑信号控制。设无刷直流电机转子位置传感器发出的转子位置逻辑信号分别为H1、H2、H3,在无刷直流电机的三相绕组上各串一个电流传感器进行电流检测,传感器的输出量正比于原方电流,分别为Uia、Uib和Uic,可以用三选一模拟开关和可编程逻辑电路GAL很容易地实现电流分时反馈,图5示出了其逻辑框图,以Uia、Uib和Uic为模拟开关的输入量,输出量为反映电机电枢电流的Uid,SWA、SWB和SWC表示选通信号。通过对无刷直流电机四象限工作过程的分析,得出模拟开关的选通逻辑真值表2。本控制器中电流检测采用根据磁场补偿原理制成的霍尔效应电流互感器——LEM模块,其特点为可以测量任意波形的电流、动态性能好、频带较宽、线性度好,失真小、原边与副边高度绝缘、测量范围宽。3.4.2电流环动态结构控制器的电流调节器采用模拟PI调节器,输入电路为两个T型滤波器,作为给定信号与反馈信号滤波,其原理图如图6所示。可以证明其中为使系统的超调小,过渡过程时间短,电流环可按典型Ⅰ型系统校正,电流环动态结构图如图7所式。其中:Kv为PWM变换器的静态电压放大系数;Tv为PWM变换器的时间常数;Ra为电枢回路总电阻;TL为电枢回路时间常数;Kfi为反馈回路的静态电压放大系数;Tfi为反馈回路惯性滞后时间常数。3.5速度检测系统在伺服控制系统中,速度环与位置环通常采用计算机数字控制,其优点是调试方便,控制策略改动容易。由于速度环要受到经常性的负载扰动,为使其具有良好的抗扰性能,因此,系统的速度环可按Ⅱ型系统校正。速度检测器通常有测速发电机、光电编码器、磁编码器以及由旋转变压器-RDC取出的速度信号等