无刷直流电动机调速系统设计

收稿日期:2001-06-08;

作者简介:张建成(1965-),男,河北深县人,华北电力大学副教

授,现在清华大学博士后流动站工作,主要从事电力系统能量储存技术和电力电子应用技术研究等。

无刷直流电动机调速系统设计

张建成,陈志业

(华北电力大学电力系,河北保定071003)

Design of Brushless DC Electric Motor Speeder

ZHANG Jian-cheng ,CH EN Zhi-ye

(North China Electric Pow er University,Bao ding 071003,China)

摘要:介绍了无刷直流电动机(BL DCM )的基本结构,从无刷直流电动机数学模型出发分析了其调速运行的基本原理,讨论了120 导通型无刷直流电动机的电流换相过程,给出了采用脉宽调制(PW M )控制方法进行电流控制的基本设计方案,最后给出逆变器控制的电机三相导通时序关系。

关键词:无刷直流电动机;调速系统;逆变器;脉宽调制中图分类号:T M 351,T M 344 6 文献标识码:A Abstract:T he essential structur e of the brushless DC electric motor (BL DCM )is introduced,and the speed go ver ning pr in ciple of the BL DCM is der ived from its mathematical model in t his paper.T he process of phase current commutation con trolled by 120degree inverter is discussed.T he basic design project mastered w ith PWM method is proposed.In the end,t he conduction sequence of t he motor s three phase is present ed.

Key words:BL DCM ;speed governing system;

inv erter;

PWM

目前,可调速电动机的主要类型有直流电动

机、异步电动机和同步电动机3种。传统的直流电动机调速性能很好,但由于具有电刷和换向器,使用环境受到了,特别是了它向高转速、高电压和大容量方向的发展。鼠笼式异步电动机结构简单、坚固耐用,转动惯量小,响应速度快,可以实现高电压、大容量和高转速运行。异步电动机和通用变频器可组成恒定电压!!!频率比的开环调速系统,可以满足绝大部分中小生产机械的一般调速要求。但是,异步电动机需要从定子侧励磁,功

率因数较低,使得调速系统所用变频器的容量较大。无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点,又具备直流电动机

的运行效率高、调速性能好、特别是无励磁损耗等特点。因此,在容量不是太大的变速驱动系统中(功率在40kW 以下),可以采用无刷直流电动机和变频器相结合,利用磁极位置检测信号和电流反馈信号组成闭环控制系统,即可以形成高效调速系统。

1 无刷直流电动机的数学模型

无刷直流电动机为三相电动机,其转子采用永久磁铁制成,材料大多采用稀土永磁材料如钐钴合金和钕铁硼合金等。磁钢形状为瓦形,经过特殊磁路设计,可以获得梯形波的气隙磁场。因此,无刷直流电动机又称为方波永磁电动机。电机定子采用整距集中绕组,由逆变器供给方波电流。其单相气隙磁场、感应电动势和供电电流之间的关系如图1所示。由于感应电动势为梯形波,

含有较多的高

图1 无刷直流电动机气隙磁场、感应

电动势和供电电流示意图

次谐波,并且电动机的电感为非线性,所以dq 坐

标变换理论已不适用,应根据转子位置分段表示感

∀

28∀电 力 情 报IN FORM AT ION ON EL ECT RIC PO WER

#4

2001

应电动势。由于稀土永磁材料的磁导率很小,转子的磁阻很大,故不考虑转子的影响。无刷直流电动机三相定子电压的平衡方程式可用式(1)表示[1]。u

A u

B u C

=R s 00

0R s

00R s

i A i B i C

+L A L AB L

AC L BA L B L BC L CA L CB L C

P i

A i

B i C

+e A e B e C

(1)

式中:u A ,u B ,u C 为三相定子电压;e A ,e B ,e C 为三相定子电动势;i A ,i B ,i C 为三相定子电流;L A ,L B ,L C 为三相定子电感;L AB ,L AC ,L BA ,L BC ,L CA ,L CB 为三相定子间互感。

由于在1对极矩内,转子的磁阻不随转子位置变化而变化,并且三相对称,所以

L A =L B =L C =L

L AB =L AC =L BA =L BC =L CA

=L CB =M 此时,状态方程可写为

u A u B u

C

=R s 00

0R

s 000R s

i A i B i C

+L

M M

M L M M M L P i

A

i B i C

+e A e B e C

因为i A +i B +i C =0,所以Mi B +Mi

C =-M i A ,将

上式进行整理得

u A u B u C

=R s 00

R s 0

0R s i A i B i C +L

-M 000L -M 00

L -M

P

i A i B i C

+e A e B e C

(2)

电磁转矩的表达式为

T d =e A i A +e B i B +e C i C

(3)

运行时,无刷直流电动机的带电导体处于相同

的磁场下,各相绕组的感应电动势为

E m =(P m N /60) m n

(4)

式中:n 为电动机转速; m 为主磁通;P m 为极对数;N 为总导体数。

设无刷直流电动机采用三相Y 联结电路,则

电动机感应电动势E d 由两相绕组经逆变器串联组成,故

E d =2E m =(P m N /30) m n

因此,电磁转矩表达式为

T d =E d I d / =(P m N / ) m I d

(5)

由此可以看出,电磁转矩与磁通和电流的幅值成正比,所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可

控制无刷直流电动机的电磁转矩。

2 无刷直流电动机调速运行时电流

换相过程

无刷直流电动机调速系统中逆变器输出的电压、电流波形为方波。在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下,只有保证电枢绕组中流过的电流总量恒定,才可以产生恒定的电磁转矩,且转矩只与电枢电流的大小成正比。图2为无刷直流电动机电图2 无刷直流电动机电流换相原理图

流换相工作原理图。边缘磁通密度宽度占30 电角度,A,B,C 三相绕组各占60 电角度。当转子在图2(a)所示的位置时,B,C 相通入幅值相等的直流电流,B,C 相导体在气隙磁场中受电磁力的作用形成电磁转矩,转子按转矩方向转动。当转子在60 电角度内转动时,即从图2(a)到图2(b)的情况,由于气隙磁场和电枢电流基本不变,故电磁转矩大小不变。当转子转到60 电角度瞬间,电流需要换相,B 相换为A 相通电,如图2(c)所示。这样,每相通入120 电角度的方波交流电,每60 电角度进行轮流换相,使同一磁极下的电流始终保持

∀

29∀#4 电 力 情 报

方向一致且电流总量恒定,从而转矩恒定。正常运行时,调节定子电流的幅值,则可改变转矩的大小,从而改变电动机的转速,达到平滑调节转速的目的。

3 调速系统的构成及运行控制

无刷直流电动机调速系统基本构成如图3所示,主要由三相逆变器主电路、方波永磁电动机、磁极位置检测器、转速检测器和控制系统组成。三相逆变器采用IGBT 器件组成,其基本工作状态由80C196单片机系统经EXB841驱动模块进行控制。由于无刷直流电动机三相定子电流的频率和相位由转子位置决定,其转矩只与方波电流的幅值成正比,所以调速系统的关键仍是电流大小的控制。因为电动机定子绕组中流过的是方波直流,电压与电流成正比,所以控制电压的幅值就可以控制电流的大小。系统运行时,电流检测信号与给定值进行比较,调整逆变器输出电压的幅值,从而控制

了电动机的定子电流和转矩。

图3 无刷直流电动机调速系统构成原理图

调速系统中的逆变器采用边缘对准的控制方式,PWM 变可以改变锯齿波与直流电流信号交点的位置,而改变了输出PWM 控制波形的宽度,无刷直流电动机定子电流、导通,在360 电角度内的导通顺序如下所示:

0 ∃60 : A 相正向导通,B 相反向导通;

60 ∃120 :A 相正向导通,C 相反向导通;120 ∃180 :B 相正向导通,C 相反向导通;180 ∃240 : B 相正向导通,A 相反向导通;240 ∃300 :C 相正向导通,A 相反向导通;300 ∃360 :

C 相正向导通,B 相反向导通。

由上可以看出,逆变器控制的无刷直流电动机A,B,C 三相各自导通的时间为120 电角度,因此将这种逆变器称为120 导通型逆变器。逆变器按照以上顺序对方波永磁电动机进行PWM 驱动控制,电流及转矩控制精度高。利用磁极位置检测器和速度传感器组成双闭环控制系统,从而实现了无刷直流电动机高效调速系统控制。

4 结 论

无刷直流电动机采用稀土永磁材料励磁,使电动机体积和重量大为减小。这种电动机不仅具有结构简单、维护方便和运行可靠等优点,而且效率比同容量异步电动机提高4%~13%,功率因数提高5%~20%。本文从无刷直流电动机数学模型出发分析了电机调速运行的基本原理,给出了采用PWM 方法进行电流控制的基本设计方案和120 导通型逆变器三相时序控制方案,为无刷直流电动机调速系统的实用化研究奠定了基础。

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