崔 健

?

一種新型無刷直流電動機調(diào)速電路設計

崔 健

(駐西安東風儀表廠軍代室，陜西 西安，710065)

為了提高電機的可靠性, 基于對無刷直流電動機（BLDCM）調(diào)速原理的分析, 通過對傳統(tǒng)有刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)通常采用的脈寬調(diào)制（PWM）電路的改進, 設計了一種新的PWM調(diào)速電路, 該電路利用單電源供電, 克服了雙電源不對稱時對調(diào)速脈寬的影響, 通過對該電路的系統(tǒng)試驗, 結(jié)果表明, 所設計的電路應用器件少, 可控性好, 精度高, 電源電壓穩(wěn)定性要求低且輸出穩(wěn)定, 可廣泛應用于測量、通信、功率控制與變換等多種領域。

無刷直流電動機; 調(diào)速; 脈寬調(diào)制

0 引言

隨著電力電子技術、微電子技術、新型電機控制理論和稀土永磁材料的發(fā)展, 無刷直流電動機(brushless DC motor, BLDCM)得以迅速推廣。BLDCM是當今世界上一種先進的電子驅(qū)動電機, 它采用現(xiàn)代先進的控制方式和大規(guī)模集成電路技術, 較一般的有刷直流電機和普通交流電機有較大的優(yōu)越性能。

有刷直流電動機目前在各個領域的應用較多, 技術相對成熟。但傳統(tǒng)的機械換向使有刷直流電動機的可靠性低, 容易失效, 必須經(jīng)常維護。BLDCM由電子器件(如MOSFET功率開關、絕緣柵雙極性晶體管IGBT等)對電機相繞組進行電子換相, 取代了有刷直流電動機的換相器和電刷機械換相, 而又具備了與有刷直流電動機相同的線性機械特性、調(diào)速范圍寬、啟動力矩大、效率高和容易控制等優(yōu)點[1]。

BLDCM的調(diào)速方式與有刷直流電動機類似, 但又有其特殊性。本文針對BLDCM調(diào)速的特殊性, 對傳統(tǒng)的有刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)通常采用的脈寬調(diào)制(pulse width modulated, PWM)電路進行改進, 以期設計性能穩(wěn)定, 精度高, 適用于BLDCM調(diào)速系統(tǒng)的新型調(diào)速電路。

1 BLDCM數(shù)學模型

對于兩相導通星形三相六拍BLDCM的狀態(tài)方程[2]

式中:u,u,u為定子相繞組電壓;i,i,i為定子相繞組電流;e,e,e為定子相繞組反電勢;為每相繞組的自感;為每兩相繞組的互感;為微分算子, 即＝d/d。定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為

由式(2)可以看出, BLDCM電磁轉(zhuǎn)矩公式與普通直流電動機相似, 其電磁轉(zhuǎn)矩的大小與磁通和電流幅值成正比, 所以控制逆變器輸出方波電流的幅值即可控制電磁轉(zhuǎn)矩[3]。為產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩, 要求定子電流為方波, 反電動勢為梯形波, 且在每半個周期內(nèi), 方波電流的持續(xù)時間為120°電角度, 兩者應嚴格同步。

運動方程為

式中:T為電磁轉(zhuǎn)矩;T為負載轉(zhuǎn)矩;為阻尼系數(shù);為電機轉(zhuǎn)速;為電機的轉(zhuǎn)動慣量。

2 BLDCM控制系統(tǒng)結(jié)構

BLDCM控制系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

圖1 BLDCM控制系統(tǒng)結(jié)構圖

該系統(tǒng)采用速度環(huán)控制。主要由綜合電路、速度控制電路、轉(zhuǎn)向控制電路、調(diào)制電路、換相電路、功放電路和BLDCM本體等組成[4]。BLDCM中的位置傳感器隨時判斷電機轉(zhuǎn)子位置, 利用這個位置信號與轉(zhuǎn)向控制信號共同決定逆變器電路中開關管的導通與關斷, 且該位置檢測信號經(jīng)變換后參與速度控制。

傳統(tǒng)的有刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)通常采用脈寬調(diào)制(pulse width modulated, PWM)電路, 而BLDCM電磁轉(zhuǎn)矩公式與普通直流電動機相似, 因此本系統(tǒng)亦采用PWM電路進行調(diào)速[5]。PWM電路具有電路簡單、參數(shù)調(diào)整方便、控制精度較高等特點, 但由于BLDCM控制的特殊性, 必須對傳統(tǒng)PWM電路進行改進。

3 改進的BLDCM調(diào)速電路設計

有刷直流電動機通常使用PWM電路進行電源PWM進行調(diào)速[6]。PWM電路通常由三角波發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的三角波, 經(jīng)與輸入信號比較后產(chǎn)生一定脈寬的方波信號驅(qū)動功率放大電路。由于三角波發(fā)生器芯片為雙電源供電, 當雙電源幅值發(fā)生偏置時, 三角波也會發(fā)生偏置, 影響調(diào)速信號脈寬, 從而影響系統(tǒng)的控制精度[7]。

本文對傳統(tǒng)的PWM電路進行了改進, 將波形發(fā)生器電路和比較器電路用一SG1525芯片代替。該芯片組成的PWM調(diào)速電路如圖2。

圖2 SG1525組成的PWM調(diào)速電路

圖中:s為調(diào)速信號;c為參考電壓, 由BLDCM的位置檢測信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生。該芯片為單電源供電, 且電源電壓發(fā)生波動時輸出方波脈寬不會變化, 僅幅值隨電源電壓波動; 該芯片輸出為相位差180°電角度的兩路方波信號, 每路方波的占空比為0~50%, 兩路綜合后可實現(xiàn)100%的調(diào)制。輸出方波的頻率由2和1確定,4/1為誤差放大器的增益比[8]。

4 BLDCM系統(tǒng)試驗

采用改進的BLDCM調(diào)速電路進行系統(tǒng)試驗, 電路圖如圖3所示。選定不同誤差放大器增益比測試結(jié)果分別見表1和表2。從試驗結(jié)果可看出, PWM電路輸出方波的占空比為80%時, BLDCM的轉(zhuǎn)速已達到飽和, 再提高占空比BLDCM的轉(zhuǎn)速基本不變(穩(wěn)定在空載轉(zhuǎn)速); BLDCM的轉(zhuǎn)速與s近似成線性關系; 根據(jù)表1、表2的試驗數(shù)據(jù), 證明了BLDCM的轉(zhuǎn)速與誤差放大器增益比無關; 誤差放大器增益比的大小決定了調(diào)速信號s的調(diào)整范圍。

圖3 BLDCM調(diào)速電路圖

表1 誤差放大器增益比為1時的試驗結(jié)果

表2 誤差放大器增益比為2時的試驗結(jié)果

5 結(jié)束語

本文設計了一種經(jīng)改進的PWM調(diào)速電路, 經(jīng)試驗結(jié)果表明, 該電路應用器件少、可控性好、精度高、電源電壓穩(wěn)定性要求低、輸出穩(wěn)定, 同時也證明了該電路應用于BLDCM調(diào)速系統(tǒng)的可行性。

在該調(diào)速系統(tǒng)的基礎上加入位置反饋信號和相應的校準環(huán)節(jié)后, 可實現(xiàn)以BLDCM為驅(qū)動元件的電動伺服機構的工程應用。

[1] 劉剛. 永磁無刷直流電機控制技術與應用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2008.

[2] 宋海龍, 楊明, 范宇, 等. 無刷直流電動機的無位置傳感器控制[J]. 電機與控制學報, 2002, 6(3): 208-212. Song Hai-long, Yang Ming, Fan Yu, et al. Review of Sensorless Control of Brushless DC Motor[J]. Electric Machines and Control, 2002, 6(3): 208-212.

[3] 王曉明, 王玲. 電動機的DSP控制[M]. 北京: 航空航天出版社, 2004.

[4] 儲愛華, 張彤, 張植保, 等. 無刷直流電動機在混合動力汽車電控離合器系統(tǒng)中的應用[J]. 微電機, 2009, 42(5): 39-42. Chu Ai-hua, Zhang Tong, Zhang Zhi-bao, et al. Application of Brushless DC Motor in the System of Electrically Controlled Clutch for Hybrid Electric Vehicle[J]. Micromotors Servo Technique, 2009, 42(5): 39-42.

[5] 劉和平. TMS320LF240X DSP結(jié)構、原理及應用[M]. 北京: 航空航天出版社, 2002.

[6] 劉金琨. 先進PID控制MATLAB仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.

[7]Li H Z, GONG Z. Dsp-based Motion Control of a Non- Commutated DC Linear Motor Module[J]. International Journal of Software Engineering, 2005, 15(2): 313-318.

[8]Cong J, Romesis M. Performance-driven Multi-level Clustering with Application to Hierarchical FPGA Mapping g[C]//Design Automation Conference, 2001.

An Improved Speed Governing Circuit for Brushless DC Motor

CUI Jian

(Military Representative Office, Stationed in Xi′an Dongfeng Instrument Factory, Xi′an 710065, China )

To enhance the reliability of motor, a new pulse widthmodulation (PWM)circuit for speed governing is designed via analyzing the speed governing principle of brushless DC motor (BLDCM) and improving the PWM circuit for traditional speed governing system of brush DC motor. This new circuit makes use of single supply to overcome the influence of asymmetric dual supply on speed governing pulse width. The experimental results show that the new circuit is of less parts, better controllability, higher precision, and stable output with loose supply voltage requirement. The improved speed governing circuit can be extensivelyapplied to measurement,communication, power control and conversion, etc.

brushless DC motor (BLDCM); speed governing; pulse width modulation (PMW)

TJ630.32; TM33

A

1673-1948(2011)03-0218-03

2010-12-14;

2011-03-14.

崔 健(1977-), 男, 碩士, 主要研究方向為電力電子與電氣傳動.

(責任編輯: 陳 曦)