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直流无刷电机知识总结
来源:ballbet贝博在线 作者:BB贝博ballbet网页登录时间:2024-02-24 11:38:04 浏览:7

  。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。

  近三十年来针对异步电动机变频调速的研究,归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法,稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。

  无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BLDC。无刷直流电机的运转效率、低速转矩、转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注。

  无刷电机在我国的发展时间虽短,但是随着技术的日益成熟与完善得到了迅猛发展。已在航模、医疗器械、家用电器、电动车等多个领域得到广泛应用,并在深圳、长沙、上海等地形成初具规模产业链。如深圳伟业电机、长沙科达等一批专业厂商,在技术上不断推进行业发展。近几年来,无刷电机成为在模型领域里快速发展的一种动力。由于产量和价格的原因,过去几年无刷电机多使用在中高档航空模型中,现在由于机械加工技术的快速发展,无刷电机的生产成本下降许多,目前它正进入模型领域的各个层面,从电动遥控车到电动遥控船再到电动模型飞机,无处不在。

  无刷直流电机通常采用双闭环调速的速度控制方法。双闭环调速系统由外环的速度环和内环的电流环构成。该控制系统中,主要以双闭环PI控制技术为典型,但由于无刷直流电机的时变性、非线性和滞后性等特点,经典PID控制对实际应用中的情况适应性较差,因此不能使电机控制达到理想效果。经典PID中,参数整定方法主要是试凑法,参数整定过程耗费时间长,需要设计人员有丰富的经验。为改善经典PID控制效果,增强电机稳定性和快速性,本文对无刷直流电机速度环采用自适应模糊控制的思想与经典PID相融合,实现智能化控制。通过增加输入和输出隶属度函数的个数,从而提高电机的控制性能。自适应模糊PID控制算法中,KP(比例系数)、KI(积分系数)、KD(微分系数)各自使用独立的一套规则,以适应实际工作中各种情况的变化。

  合适的数学模型既要使结果符合需求,又要求能够掌握模型的实质,使得应用计算更加简单,分析无刷直流电机的数学模型,则首先它是要进行定量分析,且基础是要对电机进行系统设计。

  由于无刷直流电机的数学模型是电压方程(输入为电压)和转矩方程组成的,因此举两极三相无刷直流电机的例子,采用“Y”形的集中整距绕组作为定子绕组,使用隐极内转子结构,空间中,每隔120°均放置一个霍尔传感器。除此之外,为了简化分析过程,需要约定以下条件:

  以上条件在实际应用中,可以忽略不计,因为他们对整体分析的结果影响不大,反之,若没有以上约定条件,在分析电机内部结构中的点此关系上,就变得十分复杂,而且有些情况根本无法得出解析解。通过上述分析可得,如图1和图2所示,为无刷直流电机外转子的结构图及内部绕组的等效电路。

  磁链大小取决于永磁体分布的磁场情况,而磁场的径向分量的分布是沿着定子内径表面以梯形形状。如图3中a、b所示,为绕组永磁磁通示意图。

  图3a表示的是外转子磁极的磁感应强度B的分布情况。假设磁感应强度向外的方向为正方向,而由图3b中可知,在0°时正反方向交界处的磁感应强度是0,随着线性关系的增加,在X点处强度最大,之后进入稳定态且在Y点时下降,当到达180°时强度为0,随后负向增大,到Z点最大,随之维持恒定,最终到达W点降低到0。不同的电机,其A所处的位置是不同的。倘若X与0°位置接近,则线越陡,这样“梯形波”就变成了“方波”。

  由于电机内部存在绕组电感,使得电机换相的过程中电流变化被限制,从而导致定子电流的波形不是理想的矩形波。并且,每个相之间的换流过程存在时间上的延误,造成换向的转矩脉动现象。与此同时,没有进行换向的那一相,其相电流会出现很大的电压降。

  感应电动势和直流电源的大小决定了电机定子绕组参数和换流相上电流的升降时间。要使转矩脉动不发生,通过换流时间的掌握是可以达到的,另外除了换流过程中的两相,未经换流的这一相在此过程中,电流波形的顶端存在可以引起转矩脉动的波谷。下面以电机AB相换AC相为例分析。

  逆变桥电流自正极流出,经A相和B相后,回到负极,此时该回路电流达到稳定状态,设A相电流为I,则B相电流为-I,C相电流为0。随着MOS管开关改变,从而进行换向工作,在此换向过程中,B相的电流不会直接为0,为换向过程中B相续流。由于负极端电位强制为零,二极管有一个正向压降,所以电流会通过与电机B相下桥臂MOS管并联的续流二极管、C相下桥臂MOS管、B相和C相的电阻和绕组构成的续流回路。为换向后达到稳定状态的A相和C相电流导通图,此时A相电流为I,则B相电流为0,C相电流为-I。其他换向过程分析同理。为了消除低速时的电流脉动,通常采用移向法,即控制MOS管的开关时间来消除此脉动。

  无刷直流电机(Brushless DC Motor,BLDCM)分为梯形波和方波两种,该类电机具有串励直流电机启动特性和并励直流电机调速特性。按结构特点分为内转子无刷直流电机和外转子无刷直流电机。本设计中选择三相六绕组四极对数外转子无刷直流电机,外转子电机将原来中心位置的磁钢做成一片片并贴到了外壳上,当电机运行时,中间的定子不动只有外壳在转,它和内转子无刷直流电机是有区别的。

  因转子的主要质量都集中在外壳上,外转子无刷直流电机比内转子的转动惯量要大很多,因此电机转速慢。转子无刷直流电机通常kV值在几百到几千之间,可以直接装在车模上驱动车体移动,不需要机械减速装置。无刷电机kV值是输入电压每增加1伏特是电机空转转速增加的转速值,简写为/V。例如,在11伏的电压下且外转子无刷电机的标称值为1000kV时,其最大空载转速为11rpm(转/分钟)。图8所示,为外转子无刷直流电机内部结构图。图中所示电机是与本设计中无刷直流轮毂电机原理相同的一款小型外转子无刷直流电机。

  由此可知,外转子无刷直流电机绕组绕法如图9所示,其中圆心处三根线是互相绝缘的。电机的旋转要根据在电机内部不同位置上安装的三个霍尔传感器感应到的电机转子所在位置,然后遵循一定的通电换向顺序,使无刷直流电机旋转起来。

  无刷直流电机的速度控制系统的控制方法可分为开环控制和闭环控制两大类。常用的控制方法一般为双闭环调速,内环为电流环(转矩环),外环为速度环(电压环)。目前大部分无刷直流电机通常使用开关方式驱动旋转,利用PWM脉宽调制从而控制电枢电压。微输出PWM脉冲,将PWM的占空比设置小,会减小电枢电压,反之将占空比设置大,则会增大电枢电压。从MCU中输出的脉冲,由于带载能力有限,所以需通过特定的驱动芯片、驱动电路,以此可驱动电机执行制动、正反转、速度调节等动作。

  尽管不同的电机绕组和磁极的数量、种类有所不同,但是直流无刷电机控制角度的通电顺序都是相同的。无论电机是外转子还是内转子工作都需要遵循AB→AC→BC→BA→CA→CB的顺序进行通电换相。若让电机反转,则可以按倒过来的次序通电。如图11所示,为无刷直流电机逆变电路。

  图11中,Q1到Q6均为功率场效应管。打开Q1与Q4并使得其他场效应管为截止态,此时电流流过POWER→Q1→线圈A→绕组B→Q4→CURRENT,最终实现AB的导通,其中POWER为24V。场效应管依次按照Q1Q4,Q1Q2,Q3Q2,Q3Q6,Q5Q6,Q5Q4的顺序打开,对应着相位AB,AC,BC,BA,CA,CB的导通。每个功率场效应管旁,都有一个二极管,该二极管是线圈由于自身电感的作用产生极高的瞬时反电动势(U=L·di/dt)而击穿元器件。本设计中所选的功率场效应管IRF540S内部集成这这个二极管。从而对设计PCB节省了空间并且增强了系统的稳定性。功率场效应管选择IRF540S,最高耐压100V,最大电流23A,源极与漏极间导通电阻小于77mΩ,栅源电压为±20V。

  假设图4中Q1和Q4导通则需要AB相通电。由于场效应管的导通电阻RPS为毫欧级,其压降VPS一般忽略不计,因此A点的电位近似为24V,B点为0V。A点的电位决定了Q4是否能导通,依靠I/O口的输出就可以满足Q4导通时需要的大于4V的栅极电压。Q1的栅极电压至少为24+4=28V的时候才可以导通,28V的电压已超过了电源提供的电压,因此只依赖单片机与三极管搭建的电路是无法实现的。所以采用IR2136驱动该桥式电路和自举电路,驱动电路和自举电路如图5所示。IR2136电源电压为10-20V,电流峰值200mA,内置400ns的死区时间,以防止同一桥臂上下两个MOSFET同时导通,驱动电路采用6个N型场效应管,并配以自举升压电路。

  无刷直流电机是一种由凸极磁铁转子或永磁和电枢(定子)绕组组成的电机。通过由译码器及转子位置传感器控制的直流电源给定绕组和止开关期间供电。电机的直流侧电压大小与转速在没有调节器的情况下成正比例关系,即无刷直流电机与异步电机和直流电机的区别是定子上不存在永磁体,磁势由电流进入点数绕组后产生,转子是永磁体不用感应线圈和励磁电流,与直流电机的机械换向方式不同,无刷直流电机采用电子换向方式,由霍尔传感器输出换向点的信号。

  由霍尔传感器作为转子位置传感器,当转子旋转时,产生变换的磁场,三个霍尔传感器贴在定子绕组上,通过它输出磁场状态对应的信号,由霍尔传感器输出的信号被电机控制系统检测,以此判断转子当前位置,检测精度为每60°电角度信号输出变化一次,也就是说转子每转60°电角度,定子电流需要进行一次换相,一个周期内需要进行六次换相。为此,本文使用三路霍尔信号组成的六种(除去000和111状态)不同状态表示位置传感器的信。

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