趙天劍 王林莉 采長濤
【摘 要】矢量控制的無位置傳感器無刷直流電機的應(yīng)用越來越多,在工業(yè)與商業(yè)領(lǐng)域的地位日漸提高。無刷直流電動機的控制關(guān)鍵就是轉(zhuǎn)子位置的獲取,本文研究無位置傳感器的反電動勢過零檢測法優(yōu)點突出,并結(jié)合矢量控制,能使無刷直流電機穩(wěn)定高速運行,實際應(yīng)用價值極高。
【關(guān)鍵詞】無刷直流電機;矢量控制;無位置傳感器
0 緒論
現(xiàn)如今的電機發(fā)展歷程中,無刷直流電機(BLDC)進步迅速且應(yīng)用廣泛。BLDC在家用電器、汽車工業(yè)、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)4.0等眾多領(lǐng)域有著出色的表現(xiàn)。
根據(jù)工作特性的不同,無刷直流電機可以分為兩類:
(1)矩形波同步電機,顧名思義,它的反電動勢波形和供電電流波形都是矩形波,它就是所要討論的BLDC。這種無刷直流電機有擁有刷直流電機的各種運行優(yōu)點,比如啟動和調(diào)速性能好,調(diào)速范圍廣而平滑,過載能力強等,并且有效地克服了有刷直流電機換向困難損耗大的缺點。
(2)正弦波同步電機,此電機雖然依然是利用直流電供電,但是它需要通過逆變器先將直流轉(zhuǎn)換為交流,再供給電機使用,是具有交流特性的無刷直流電機。
1 無位置傳感器的位置檢測
無刷直流電機的位置檢測是其極其重要的一個環(huán)節(jié),關(guān)系到BLDC的穩(wěn)定工作,是組成BLDC系統(tǒng)的三大部分之一,也是跟有刷電機相區(qū)別的主要標志,它的目的是把轉(zhuǎn)子的位置信號進行檢測并轉(zhuǎn)化為電信號,為控制電路提供換向信息,從而控制定子繞組依次以正確的方式通電,來帶動轉(zhuǎn)子持續(xù)穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)。
1.1 有位置傳感器的位置檢測方法
光電式位置傳感器的原理是光電效應(yīng),可以利用衍射、投射、反射、折射等現(xiàn)象來測量位移、角速度,可以不跟被測對象直接接觸,因而不存在摩擦等外部干擾。將它安裝在BLDC轉(zhuǎn)子的遮光部分,再在定子上安裝穩(wěn)定的光源,即可測得所需的信號,信號經(jīng)整形后可使用,缺點是價格昂貴且適應(yīng)力不強。
電磁式位置傳感器是針對測速齒輪設(shè)計的發(fā)電型傳感器,利用的是電磁感應(yīng)原理,把被測量在導(dǎo)體中感生的磁通量變化轉(zhuǎn)換出輸出信號變化。它輸出的信號大,只要經(jīng)過整流以后便可控制,抗干擾性強,在惡劣環(huán)境中也能正常使用,缺點是不適合轉(zhuǎn)速過高的情況。
磁敏式位置傳感器用的最多的就是通常所說的霍爾傳感器,依據(jù)的是霍爾效應(yīng)原理,是在有位置傳感器的BLDC中應(yīng)用最廣泛的,它對環(huán)境適應(yīng)能力強,成本也比較低,精度高,性能好。
1.2 無位置傳感器的位置檢測方法
BLDC如安裝了位置傳感器不但會增大電機的體積,制作成本提高了,而且會使其的可靠性變低,所以無位置傳感器的BLDC應(yīng)用變得廣泛起來。它一般分為兩個類別,分別應(yīng)用于高速和低速兩種情況。
一般情況下,在一個電度角周期中,為了使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生最大平均轉(zhuǎn)矩,會有6種換向狀態(tài),這種方法是通過測量不導(dǎo)通相的端電壓,將其與中點電壓相比,從而可以獲取反電動勢過零點。但是如果對象是小電樞電感的BLDC,繞組的中點電壓就會變得難以準確獲取,所以經(jīng)常被使用的是虛擬中點電壓法。
2 無刷直流電機的工作原理及數(shù)學(xué)模型
2.1 工作原理
對于有刷直流電機,擁有旋轉(zhuǎn)電樞和固定磁場,但是對于BLDC來說,是旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞,晶閘管、晶體管等功率開關(guān)器件可以與外部的電樞相連接。
無刷直流電機采取的是電子換向方式,可以用位置傳感器測得轉(zhuǎn)子的精確位置,然后改變定子電樞的通電方式進行換向,來使得電機平穩(wěn)運行,當(dāng)然也有無位置傳感器的控制方式。
2.2 運行特性
通過輸入電功率,從而輸出機械功率,是對電機最基本的要求,所以轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是最重要的數(shù)據(jù),因而就要知道轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律,所以講其運行特性分為起動特性、工作特性、機械特性和調(diào)速特性。
2.3 BLDC數(shù)學(xué)模型和矢量控制原理
無刷直流電機的反電動勢波形為正弦波時,電子與轉(zhuǎn)子之間的參數(shù)難以得到精確的數(shù)據(jù),所以就需要建議BLDC數(shù)學(xué)模型。在建立數(shù)學(xué)模型時,需要把電機的磁路看做線性磁路,對磁路飽和、磁滯以及渦流影響忽略不計。轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成,定子是一組三相對稱的線圈繞組,三者之間距離為120°的電角度。本文研究的BLDC為正弦波同步電機,電動勢與反電動勢均為正弦波,按正弦規(guī)律變化,對高次諧波磁勢忽略不計。
一般情況下,矢量控制在兩種坐標系下進行,靜止坐標系和旋轉(zhuǎn)坐標系。其中,Park變換是兩相靜止坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的變換。
另外一種就是三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系的Clark變換,因為磁勢分布和功率是不變的,所以兩者之間的磁勢相等。
3 結(jié)論
本文對于無位置傳感器的BLDC進行了詳盡的研究,使用矢量控制的方法對于控制此電機具有優(yōu)異的效果,系統(tǒng)控制的實時性和可靠性大大增強,能使得電機工作過程中穩(wěn)定高速運行,且功耗較低,具有很高的應(yīng)用價值。
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