稀土永磁無刷直流方波電機的原理與應用

1無刷直流電動機的最佳驅動執行元件主要類型有三種類型：同步電機、異步電動機和直流電機。直流電動機具有運行效率高和調速性能好等諸多優點,但傳統的直流電動機均采用電刷,以機械方法進行換向,因而帶來了噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等致命弱點,再加上維修困難,從而大大地限制了它的應用范圍,并極大地阻礙了電動機在機載雷達伺服系統中的應用。而無刷直流電動機則既具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點,又具備直流電動機的運行效率高、調速性能好等諸多特點,因此,它成為機載雷達伺服系統中的最佳驅動執行元件。70年代以來,隨著電力電子技術的飛速發展,許多新型的高性能半導體功率器件,如GTR、MOSFET、IGBT等相繼出現,以及高性能永磁材料的問世,都為無刷直流電動機的廣泛應用奠定了堅實的基礎。2基于位置傳感器的轉子旋轉電機的電壓平衡方程稀土永磁無刷直流方波電機是一種新型無刷直流電動機,其相電勢為梯形波,電樞電流為120°矩形波。它的基本構成包括電動機本體、控制器和位置傳感器三部分,如圖1所示。電動機本體在結構上與永磁同步電動機相似,但沒有籠型繞組和其它起動裝置,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的橋式主回路(即逆變器)中相應的功率開關管連接。由于采用脈寬調制控制,因此,電子開關電路由功率開關單元(即驅動電路與橋式主回路)、位置傳感器信號處理單元和脈寬調制(PWM—脈沖寬度調制)器組成,用來控制電動機定子各相繞組通電的順序與時間。轉子由永久磁鋼按一定極對數(2p=2,4,…)組成。位置傳感器的跟蹤轉子與電動機轉軸相聯接,它將轉子磁鋼位置變換成電信號,經位置傳感器信號處理單元處理后,去控制功率電子開關,使定子相電流隨轉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,在電機中就產生了旋轉磁場,從而使轉子旋轉。電機轉速則由PWM信號控制。對于稀土永磁無刷直流方波電機,通常利用電動機本身的相變量來建立數學模型。假設磁路不飽和,不計渦流和磁滯損耗,三相繞組完全對稱,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為定子相繞組電動勢(單位為V);L為每相繞組的自感(單位為H),M為每兩相繞組間的互感(單位為H)。由于轉子磁阻不隨轉子的位置變化而變化,因此,定子繞組的自感和互感為常數。當三相繞組為Y連接,并且沒有中線時,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)電磁轉矩為無刷直流方波電機定子繞組的相電勢為式中:Ce為電勢常數;N為相繞組的等效匝數;n為電機轉速,pn為極對數;H為主磁通。由于本系統為120°導通型三相PWM逆變器,任一時刻只有兩相通電,因此,對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,它包括電機兩相繞組和橋路開關管管壓降等的等效電阻。式(8)表明無刷直流方波電機的速度公式與普通直流電機相同,因此,無刷直流方波電機的轉速可以通過改變直流電壓Ud來調節,本系統的電壓Ud是通過調節PWM的占空比來實現的,此即為無刷直流方波電機的PWM調速原理。3非摩擦直接方波設備的設計控制器是無刷直流方波電機的三大組成部分之一,它主要包括逆變主回路、驅動電路和控制電路三部分。3.1主電源和驅動裝置的逆變量3.1.1調制式變換器無刷直流方波電機的逆變回路由功率開關管V1～V6組成橋式回路,如圖1所示,它是功率開關電路的核心部分。由于采用脈寬調制控制,因此,主回路為脈寬調制式變換器,簡稱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、二兩個象限中運行;可逆PWM變換器則可在四個象限中運行,工作于正轉電動、正轉制動、反轉電動和反轉制動四種狀態,因而,伺服系統中多采用可逆PWM變換器。可逆PWM變換器常用H型橋式變換器結構型式,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d為正值時,電機正轉;d為負值時,電機反轉;d=0時,電機停止。雙極式可逆PWM變換器的優點為:電流一定連續;可使電機在四個象限中運行;電機停止時有微振電流,能消除靜摩擦死區;低速時,每個晶體管的驅動脈沖仍較寬,保證了晶體管的可靠導通;低速平穩性好,調速范圍寬。雙極式可逆PWM變換器的缺點為:工作中,H橋的4個晶體管均處于開關狀態,因此開關損耗大,而且上、下兩管容易發生橋臂直通,降低了可靠性。為了防止上、下兩管直通,在一管關斷另一管導通時,應加邏輯延時。2雙極式可逆dm變換器單極式可逆PWM變換器中,當脈寬為0時,電機停止,而當脈寬為100%時,電機則全速轉動。單極式可逆PWM變換器的優點為:克服了雙極式可逆PWM變換器H橋上、下兩管容易發生橋臂直通的缺點,提高了可靠性,對于靜、動態性能要求低一些的系統,可采用單極式可逆PWM變換器。單極式可逆PWM變換器的主要缺點為:電流容易斷續,而電流斷續將使變換器的外特性變軟,從而使PWM調速系統的靜、動態性能變差。由于雙極式可逆PWM變換器具有的顯著優點,因此,在靜、動態性能要求比較高的雷達伺服系統中應采用雙極式可逆PWM變換器。3.1.2集成芯片的設計脈寬調制器輸出的脈沖信號經過邏輯延時后,與位置傳感器信號處理電路輸出的電機繞組選通信號合成后,送給驅動電路作功率放大,以驅動橋式主回路的電力晶體管,保證它飽和導通和可靠關斷,每個電力晶體管應有獨立的驅動電路,橋臂上部晶體管的驅動電路應采用浮地驅動技術。隨著集成電路技術的發展,專用的驅動集成電路已經出現。如具有六路驅動電路的集成芯片,甚至驅動電路與橋式逆變主回路集成在一起的驅動功率模塊也已出現,它們具有集成度高、可靠性高、速度快、過流欠壓等保護齊備、調試方便等特點,這對于縮小控制器的體積、提高可靠性具有顯著的優點。本文所討論的控制器設計就采用了驅動電路與橋式逆變主回路集成在一起的驅動功率模塊來設計驅動電路與三相橋式主回路。它是三相無刷直流電機功率驅動模塊,其特點如下:·體積小,僅為76.2mm×53.34mm×9.91mm·高效的IGBT三相逆變橋,內含快速反向恢復二極管·六個獨立的IGBT驅動電路,內含DC-DC變換器,提供浮地電源和基準電源,具有橋臂直通保護功能,驅動模塊能被5V或15V邏輯電平直接驅動·具有保護輸入端子,能擴展成短路、過流、過熱等保護·六狀態梯形波或正弦波驅動·四象限運行·額定電壓500V·額定電流30A·開關頻率可達25kHz筆者設計的無刷直流方波電機控制器已應用在幾種型號的機載雷達伺服系統中,實踐證明用其設計的無刷直流方波電機控制器體積小、可靠性高、調試方便,完全能夠滿足系統的性能指標要求。3.2通過模擬式脈寬調制器來使脈沖寬度不誤變脈寬調制器是一個電壓—脈沖變換裝置,由電流調節器輸出的控制電壓進行控制,為PWM變換器提供所需的脈沖信號,其脈沖寬度與控制電壓成正比。常用的脈寬調制器有以下幾種:·用鋸齒波或三角波作調制信號的脈寬調制器·用多諧振蕩器和單穩態觸發器組成的脈寬調制器·數字式脈寬調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制信號的模擬式脈寬調制器,如圖3所示。圖中示出了控制電壓U=0,脈寬占空比為50%時的波形。在可逆雙極性PWM變換器中,H橋的上、下兩個晶體管經常交替工作,由于晶體管具有關斷時間,在這段時間內晶體管并未完全關斷,容易造成上、下兩管直通,從而使電源短路,為了避免發生這種情況,就要設置邏輯延時加以保護。3.3信號電子系統設計位置傳感器信號處理電路就是把轉子位置傳感器(如霍爾檢測電路)的檢測信號經其處理后,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,從而控制電機三相繞組的導通次序,即控制換相,使得電機中產生旋轉磁場。現對位置傳感器信號處理電路的換相邏輯作一簡單介紹,以筆者所用無刷直流方波電機為例,該電機為兩兩通電方式,三相Y連接。兩兩通電方式為每一瞬間有兩個功率管導通,每隔60°電角度換相一次,每次換相一個功率管,每一功率管導通120°電角度。各功率管導通順序是V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1、…。功率管V1和V2導通時,電流從A相繞組流入,再從C相繞組流出。如設流入繞組的電流為正,則流出繞組的電流為負,它們的合成轉矩為Tac=3√Ta,方向如圖4a所示。當電動機轉過60°電角度后,由V1V2通電換成V2V3通電,這時電流從V3流入B相繞組再從C相繞組流出,經V2回到電源,合成的轉矩為Tbc=3√Ta,其方向轉過了60°電角度,如圖4b所示。而后每次換相一個功率管,合成轉矩矢量方向就隨著轉過60°電角度,圖4c示出了全部合成轉矩的方向。若三只霍爾檢測元件彼此相差120°電角度安裝,一周內各相繞組通電順序與三只霍爾元件輸出信號的邏輯關系,如表1所示。根據表1所示的邏輯關系,就可設計出位置傳感器信號處理電路。筆者就是根據以上的邏輯關系應用GAL元件來設計位置傳感器信號處理電路。3.4流量控制高性能的無刷直流電機均采用轉速電流雙閉環控制,轉速調節器的輸出作為電機電流的幅值給定。電流環主要包括電流檢測反饋與電流調節器兩部分。3.4.1模擬開關選通邏輯的建立傳統的無刷直流電機電流控制采用一般三相交流電機的電流控制結構,即用三個獨立的電流閉環,但這種電流控制結構的控制電路復雜,需要三個電流調節器,由于三個電流調節器很難做到完全一致,因而不利于三相電機電流的對稱。無刷直流電機采用電流分時反饋技術后,只需要一個電流調節器就可實現三相電機電流的閉環控制,與直流電動機的電流閉環控制很相似。由無刷直流電機工作原理知道,電機相電流基波是120°矩形波,因而任一時刻只有兩相通電,類似于一個直流電機,電流的換相由轉子位置傳感器發出的轉子位置邏輯信號控制。設無刷直流電機轉子位置傳感器發出的轉子位置邏輯信號分別為H1、H2、H3,在無刷直流電機的三相繞組上各串一個電流傳感器進行電流檢測,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和可編程邏輯電路GAL很容易地實現電流分時反饋,圖5示出了其邏輯框圖,以Uia、Uib和Uic為模擬開關的輸入量,輸出量為反映電機電樞電流的Uid,SWA、SWB和SWC表示選通信號。通過對無刷直流電機四象限工作過程的分析,得出模擬開關的選通邏輯真值表2。本控制器中電流檢測采用根據磁場補償原理制成的霍爾效應電流互感器——LEM模塊,其特點為可以測量任意波形的電流、動態性能好、頻帶較寬、線性度好,失真小、原邊與副邊高度絕緣、測量范圍寬。3.4.2電流環動態結構控制器的電流調節器采用模擬PI調節器,輸入電路為兩個T型濾波器,作為給定信號與反饋信號濾波,其原理圖如圖6所示。可以證明其中為使系統的超調小,過渡過程時間短,電流環可按典型Ⅰ型系統校正,電流環動態結構圖如圖7所式。其中:Kv為PWM變換器的靜態電壓放大系數;Tv為PWM變換器的時間常數;Ra為電樞回路總電阻;TL為電樞回路時間常數;Kfi為反饋回路的靜態電壓放大系數;Tfi為反饋回路慣性滯后時間常數。3.5速度檢測系統在伺服控制系統中,速度環與位置環通常采用計算機數字控制,其優點是調試方便,控制策略改動容易。由于速度環要受到經常性的負載擾動,為使其具有良好的抗擾性能,因此,系統的速度環可按Ⅱ型系統校正。速度檢測器通常有測速發電機、光電編碼器、磁編碼器以及由旋轉變壓器-RDC取出的速度信號等