无刷电机

无刷电机（精选十篇）

无刷电机 篇1

向同步发电机的励磁绕组供给励磁电流的整流装置,就叫做同步发电机的励磁系统。中、小型同步发电机的励磁方式按其励磁功率的产生方式分为自励式和他励式。所谓自励式,就是利用整流器将发电机本身发出的交流电(附加绕组产生的交流电)经过整流后送入励磁绕组。而他励式则是发电机的励磁功率取自于另外的电源,例如直流励磁或交流励磁机。

关于励磁电流的供给方式,以往是在发电机转子的一端上固定安装一对滑环随转轴旋转,励磁电流通过碳刷送到滑环上,并供给转子绕组用以产生磁场,这是有刷励磁。由于滑环随转轴高速旋转而碳刷固定不动,还需紧贴在滑环表面上,这种松散的机械联系造成了两大问题:一是火花不可避免,有时会出现“环火”,存在着励磁回路发生短路的潜在危险;其次是磨损不可避免,滑环表面也常出现烧蚀斑痕或磨出了沟槽。因为励磁系统的工作状况直接影响到发电机工作的可靠性、稳定性和电能质量,同步发电机的励磁技术历来受到电业工程技术人员的关注。近年来,由于电子元件、器件的迅速发展,支持了发电机励磁技术的改善和提高,各种励磁方式也已代替了过去笨重的碳阻调节励磁装置。

2 简单介绍各类励磁装置的分类和性能

2.1 励磁方式分类

国内中、小型发电机所采用的励磁装置有下列几种:

(1)手动励磁装置

(2)碳阻自动电压调整器

(3)快速相补偿励磁调节器

(4)可控与不可控相复励装置

(5)可控硅励磁调节器

(6)谐波励磁装置

(7)无刷励磁装置

虽然各种励磁系统的工作原理不同,但其基本原理则是相同的,即在工作状态下,其电压调整率的精度由励磁系统的输出特性和发电机本身固有特性的一致程度所决定的。

2.2 各类励磁装置技术性能

经过表1的比较,可得出如下意见:

(1)中、小型低压发电机,在我国趋向采用自恒压方式,即取消励磁机。直流励磁机励磁方式比较落后,技术性能指标差,可靠性不高,体积大重量重,制造工艺复杂,已逐步淘汰。

(2)相复励系统是采用较早、应用广泛的自激自调方式,在实践中是比较成熟的。

(3)不可控相复励磁方式,可靠性高、过载能力强、技术性能可满足用户的使用要求,维护方便,主要存在体积较大、重量较重的缺点,在某些对静态指标要求较高的地方,仍在采用此种励磁装置。

(4)由于半导体技术的发展,可控硅励磁方式已广泛用到中小型同步发电机上。它具有稳态性能好、动态指标高、温度与频率补偿性能好、体积小、重量轻和效率高的优点,还可以进行同容量和不同容量的机组并联运行。它的缺点是:可控硅质量不稳定,有些调节器可靠性差。

3 无刷励磁方式

上世纪70年代一些国外中小型同步发电机励磁性均用无刷励磁方式,如引进的美国康明斯(Cummins)、卡特彼勒(Caterpilar)、英国的佩特波(Petbow)、十字军(Crusder)等柴油发电机励磁方式都是无刷励磁方式。在我国多采用三次谐波励磁方式的自励恒压方式。而无刷励磁方式在结构上较复杂,轴向尺寸长,其优缺点并不十分显著,因此我国生产的中小型柴油发电机组用无刷励磁方式研制较慢。

带有与同步发电机同轴的交流励磁机的无刷励磁方式与上述比较称为一种新型励磁方式,将同轴的交流励磁机设计成旋转电枢式,并将硅整流桥也固定在此电枢上一起旋转,组成旋转半导体励磁系统。从而完全省去了集电环、碳刷等滑动装置,形成了无刷励磁系统。这种无刷励磁发电机没有磨损的碳粉和铜末所引起的污损,其绝缘使用寿命长,没有带电接触情况,不会产生火花,能在易燃气体环境中运行;由于省去了电刷、集电环或换相器繁琐的维护工作,提高了发电机运行的可靠性。无刷励磁方式的交流励磁机为旋转电枢式发电机,一般采用三相发电机,小容量时也有用单相发电机。交流励磁机的频率比主发电机要高些,由于频率可以提高励磁机的反应速度,我国采用120Hz的旋转整流器多为三相全波整流电路,也有采用半波整流电路的。采用三相半波整流电路,虽然旋转硅整流元件的数量减少一半,但其元件承受励磁绕组感应出的过电压要大一倍,而且会使交流励磁机的利用率降低,所以一般采用三相桥式全波整流方式。另外考虑到主发电机突然短路时,将在整流桥直流侧的磁场绕组中感应出很高的浪涌电压,因此一般在直流侧加装一个放电保护电阻或稳压管,有的用碳化硅压敏整流堆做浪涌电压吸收元件,也有的用氧化锌压敏电阻。

无刷励磁技术概括起来有如下三种在结构上不尽相同的励磁系统:一是带交流同步励磁机和旋转整流器的无刷励磁;二是由异步励磁机和发电机组成的无刷励磁;三是固定旋转变压器和旋转可控硅整流器的交流无刷励磁系统。目前,在国内外柴油发电机组上,大部分是用交流同步励磁机和旋转整流器的无刷励磁系统,这一系统的原理图如图1所示。

注:1—旋转部分;2—主发电机;3—电流互感器;4—电压互感器;5—整流变压器;6—整流器组;7—自动电压调节器;8—发电机励磁线圈;9—励磁机励磁线圈

三相无刷同步发电机结构见图2、图3。

正、反向二极管均能耐受较大的离心力。

电涌抑制器,消除高次谐波,防止电磁干扰。

4 选择发电机组须注意的问题

(1)发电机(对于带励磁机的机组)要求厂家提供空载和满载时的励磁电压、励磁电流资料。

(2)发电机(对于带励磁机的机组)要求厂家提供冷态和热态电阻资料。

(3)如果多台发电机并车运行,设计上应要求厂家提供配套并车屏。

以上所谈仅是自己的认识,有不对的地方请同行们指正。

直流无刷电机性能分析 篇2

一、无刷直流电机的意义

人们对环境和能源的日益关注，推动了电动汽车的发展，加速了世界强国在电动汽车领域的竞争。在目前电池技术制约下，如何提高电能效率、提高电动汽车续驶历程，是电动汽车行业关注的焦点。无刷直流电机启动转矩大、调速性能好、效率高、能量密度大、过载能力强、性能稳定、安全可靠，是电动汽车的理想驱动电机。无刷直流电机的产业化生产，对提高电动汽车性能、促进电动汽车行业发展、使我国电动汽车行业赶超世界先进水平具有积极的促进作用。

二、无刷直流电机的先进性

电动车辆主要用于城市交通，车辆大部分时间处于启动、加速、制动的工作状态，因此电机的起动性能、加速性能、低速时的效率、制动时的能量再生能力、电机的过载能力、电机的能量密度、电机可靠性对电动车辆尤为重要，是衡量电动车辆电机的重要指标。目前电动车辆还没有专用电机可选，只能选用通用电机，如直流串激电机、直流并激电机、永磁直流电机、异步电机等。通用电机的负载特性为恒负载特性，而电动车辆特性为变负载特性，两者特性不匹配，影响了电机出力，进而影响了电动车辆性能。另外，通用电机的最大效率点均设计在额定点附近，当负载偏离额定点时，电机效率急剧下降，影响了车辆的续驶里程。开关磁阻电机在低速时具有较大的转矩，但效率偏低，永磁同步电机具有较高的效率，但低速时转矩无法提升。只有无刷直流电机具备了以上电机的所有优点，它具有串激直流电机的低速转矩提升功能、并激直流电机的调速性能、永磁同步电机的高效特性和接近异步电机的可靠性，非常适合电动车辆的需要。现就各种电机技术指标汇总见表1。表1 各种电机技术指标汇总

电机

性 能 直流串激电机 支流并激电机 永磁直流电机 鼠笼异步电机 磁阻开关电机 永磁同步电机 无刷直流电机

起动性能 5 4 4 2 3 4 5

低速性能 5 4 4 3 3 4 5

低速时效率 3 3 4 3 4 5 5

平均效率 3 3 4 4 3 5 5

能量密度 2 2 3 4 4 5 5

过载能力 4 4 4 4 3 5 5

再生能力 3 5 4 3 2 5 5

可靠性 2 2 2 5 5 4 4

制造成本 4 4 4 5 5 4 4

控制器成本 5 5 5 4 4 4 4

合 计 36 36 38 37 37 45 47

从上表看无刷直流电机是最为理想的电动车辆驱动电机，与其它电机相比其主要优点为：①电机外特性好，非常符合电动车辆的负载特性，尤其是电机具有可贵的低速大转矩特性，能够提供大的起动转矩，满足车辆的加速要求。②速度范围宽，电机可以在任何转速下全功率运行，这是无刷直流电机的独有特性，这样可以省去汽车的机械变速器，改变内燃车辆的传动模式，进一步提高整车效率。③电机效率高，尤其是在轻载车况下，电机仍能保持较高的效率，这对珍贵的电池能量是很重要的，该种电机可比永磁直流电动机提高效率10％以上，比Y系列电动机提高效率20％以上。④过载能力强，这种电机比Y系列电动机可提高过载能力20％以上，满足车辆的突起堵转需要。⑤再生制动效果好，因电机转子具有很高的永久磁场，在汽车下坡或制动时电机可完全进入发电机状态，给电池充电。⑥电机体积小、重量轻、比功率大、可有效地减轻重量、节省空间。⑦电机无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘土进入电机内部，可靠性高。⑧电机控制系统比异步电机简单。

无刷直流电机是在永磁同步电机的基础上发展而来，它比永磁同步电机具有更高的效率和更大的低速转矩，两种电机的外特性见图1。

三、无刷直流电机的现状

无刷电机 篇3

摘 要：无位置传感器无刷直流电机具有启动时间长，传统的电机启动方法容易使得电机失步，带负载启动能力弱等特点。根据无刷直流电机定子铁心的饱和效应，这里采用三段式中的初始位置预定位法进行转子预定位和两步短时脉冲法进行转子加速。该方法能够快速得到转子的位置，并且在不失步的情况下得到初步速度，建立较低的反电动势，进而切换至反电动势控制方式运行。

关键词：无刷直流电机；转子预定位；两步短时脉冲定位加速法

中图分类号：TM332 文献标识码：A

1 前 言

无刷直流电机因其调速特性好、无换向火花、效率高、寿命长、运行可靠、维护简便等优点得到了广泛的应用[1]。无刷直流电机的类型很多，从有无位置传感器可以分为无位置传感器的无刷直流电机和有位置传感器的无刷直流电机。有位置传感器的无刷直流电机在其启动时无需特殊注意。但是因为无位置传感器的无刷直流电机在体积和生产成本上与有位置传感器的无刷直流电机有着无可比拟的优势，所以无位置无刷直流电机在生产和生活中的应用越来越得到人们的重视，而其如何启动也就顺理成章的成为了人们的研究对象[2]。

在对于无位置传感器无刷直流电机常用的启动方法包括三段式启动法，升频升压同步启动法。其中三段式启动法简单，但是实验调试特别的复杂，要依靠大量的经验施加电压矢量，而且还容易受到负载条件的影响，很容易使得启动失败，甚至发生倒转，存在严重的安全隐患[3]。升频升压发启动比较可靠，但是没有严格的换向信号作为指导，虽然可以携带一定的负载进行启动，但是附加的启动电路增加了电机的尺寸，降低了系统的可靠性，也不是这类电机启动的最佳选择[4]。

本文提出了一种基于结合传统三段式法的转子预定位法和两步短时脉冲加速法，两步即可使得电机顺利启动，最后根据反电动势建立完整的控制系统，整个过程简单易行，大大降低了电机启动失败的概率。

2 短时脉动法的理论基础

本文所研究的无刷直流电机的结构如图1所示，无刷直流电机电机的转子位于整个电机的中心，是由永磁体组成的，而定子则是由缠绕于铁心的线圈而成，结构如图所示。

转子即永磁体有N和S不同的极性，而在外部缠绕在铁芯上的线圈在外部电路的控制作用下产生不同的磁场，两个磁场相互作用，使得转子转动[5]。

计算技术与自动化2016年6月

第35卷第2期王 哲等：无位置传感器无刷直流电机启动系统研究

这里线圈缠绕在铁心上形成定子，当外加磁场作用于线圈时，电感L的值会随着磁场的大小和方向的变化不断的变化。当线圈中通过的电流和转子的磁场保持一致时，电感L减小，当处于垂直状态时，电感L的值最大[6]，如图2所示。电压电流和电感的关系如式2，这就是短脉冲检测的原理。

无刷直流电机的通电线圈处于电机的外侧，即电机的定子，电流通过线圈，线圈存在电感，而作为电机的转子的永磁体对于线圈的电感有着增磁和去磁作用，永磁体（即转子）的N极靠近线圈时，线圈的电感值减小，所以当线圈中存在电流并且转子的N极靠近线圈时，电流会因为线圈电感值的减小而增大。

图3电机的控制原理图，经过简化以后可以得到下图所示：

这样我们能够根据电路中电流的大小判断出转子的位置，也能够根据电流的大小得到换向点。

3 转子定位及加速

3.1 转子预定位法

对于无传感器的无刷直流电机而言，在电机启动之前，转子的初始位置是随即的，也就是未知的，所以得到转子的确切的初始位置对于这类无传感器无刷直流电机的启动是至关重要的。为了简单而准确的定位到转子的初始位置，这里我们采用转子预定位的方法是借鉴三段式启动法的转子预定位法，在电机通电伊始，给电机的任意两项通电一段时间，使定子能够产生一个固定的磁场，如下图a所示。

在磁场力F的作用下，电机转子转动到如图a的位置，但是若电机初始位置正好与F相差180度，如b，这时在理论上产生的电磁转矩为零，所以要进行电机的第二次定位，也就是按电机的旋转方向导通下一次绕组电流，使其产生与原来F相差90度的F方向的磁场力，这样，不论转子的初始位置是在a的位置上还是在b所指的位置上，转子都将转动到F所指的位置[7]。

其实，在实际实验中，我们发现，转子大部分时候是不需要二次定位的。但是我们这里为了防止意外情况的出现，还是采用了更为保守的二次定位。这样谁稍稍延长预定位的时间，但是杜绝了意外的发生。

等到电机的转子到达指定位置后，将在指定位置处左右摆动，处在一个不稳定的状态，最后在摩擦力和磁滞涡流的作用下停止。很多时候为了让转子有足够的时间反应调整位置，所以我们要对电机的通电时间稍微长一点[8]，但是电压不要过大，因为在这个阶段，我们通常不使用PWM来调节电压。

3.2 转子加速

电机的加速过程采用的导通方式为二二导通方式。如下图所示，经过转子预定位，转子到达指定的位置，给电机的绕组依次通电，就可以保证电机转动。但是如何找到电机的换向点，是加速过程的一个关键，过早和过完的换向都会引起电机的失步，严重的可能会导致电机启动失败，造成重大的事故。这里我们采用短脉冲加速法，通过比较电流阈值检测换向点，该方法简单易行，准确度高，且不需要知道电机的准确参数就能够保证电机的正常启动。

根据短脉冲理论，我们可以大致描绘出其脉冲的波形图，进而得到电流波形，大致如下图所示。

在PWM的低电平期间，给出相应的检测脉冲矢量，在短脉冲结束时检测母线电流的大小，根据两次电流值的大小可以确定是否为换向点。通过电机运行电压矢量图可以得到理论上的换向值，当两次取得的电流值大小相等时为最佳换向点。

短脉冲加速法采取的是给一个短时间的短脉冲，这个短脉冲的持续时间既不可过长，因为时间过长会引起电机的转动，亦不宜过短，因为如果短脉冲的时间过短，不容易检测到电流值，很可能会发生检测到的电流值大小相等的情况，使得控制器误以为到了换相时间进行错误的换相。这个短脉冲的持续时间建议值为当前电路的时间常数，但是经实验证明，取值为等效时间常数的短脉冲电压引起电机转动时，应当稍微减小脉冲持续的时间以保证转子不转动。

下面我们以初定位的位置在V1为例，进行分析说明，短脉冲加速法是如何进行重复检测-加速运行的。

若转子经过预定位后的位置为V1，为了取得最大的转矩，所以取呈现90度导通，所以导通的电压矢量应为V32，转子进入I和II区，而此时的检测电压矢量应为V1和V3，相应的检测到电流为I1和I3，这时I1>I3，当转子转到V2的位置时，I1=I3，这时就到达了换向点，可以进行换向操作到V34。但在实际定位加速过程中，加速脉冲过宽可能会淹没最佳换相时刻，造成换相失败，在实际操作中，我们也发现了这一点，每次都很难能检测到最佳换相时刻。为了加速的稳定性，把换相条件设定为I3≥I1，即最佳或滞后换相，这提高了短脉冲加速法的负载适应性，防止检测失误错过换向时间。转子继续在V34的作用下转动，转子处在III和IV区，这时检测电压矢量为V2和V4，相应的检测电流为I2和I4，当转子位于III和IV区时，I2>I4，当转子转动到V3的位置时，I2=I4，相应的，我们也取当I4≥I2时换向到V54，转子进入V和VI象限，依照上述的方法，这样在不同电压矢量的作用下，转子加速到指定的速度。下表给出了短时间脉冲检测电压矢量及换相条件如表：

对照着上表电机进行重复检测-加速运行，加速结束时，电机已经具备较低的转速与反电动势，这是可以根据转子的当前位置切换到反电动势运行。

图8即母线检测到的电流波形图将电流波形局部放大如图9可以看到矢量控制产生的电流和短脉冲产生的电流，通过比较检测脉冲的大小可以得知换向点。

在这里我们首先仅仅使用本文介绍的启动方式对电机进行启动，为了表现明显，我们这里单独使用短脉冲对电机的控制，为的是展示此方法的可行性。因为在实际控制中，启动的过程很短暂，不容易观察到，所以这里我们暂时不切换到反电动势进行控制。

下图为速度波形，可以观察到有电机初定位到切换到短脉冲加速时的位置，因为短脉冲加速会产生震荡，所以单独用这种方法进行电机的控制会速度会产生震荡，这也正是短脉冲加速的局限性所在。

4 实验

这里我们采用的是南京研旭电气生产的57BL52-230，其性能稳定，额定电压为24V，线电阻0.6欧，线电感为0.75Mh。

这里采用基于相电压的反电动势检测电路，为了避免复杂的运算，我们将得到的反电动势延迟90-a。

图11 控制电路

其得到的速度波形图如下图所示，因为转子定位和加速至可以检测到反电动势的过程非常短暂，这里很快就使得转子进入了指定的速度。

5 实验结果分析及说明

经过理论和实验的分析，我们可以看出，转子的二次定位可以方便快捷的得到转子的初始位置，而短脉冲加速过程，可以得到使得转子在不失步的情况下使得转子的转速到达可以检测到反电动势的速度，从理论和实验两方面证明了，采用短脉冲加速技术大大降低了转子的失步的概率，减少了事故的发生。

该方法不仅适用于方波的无刷直流电机 ， 还适用于正弦波的无刷直流电机，即永磁同步电机，并且不必要知道这些电机确切参数。只需要大致的计算检测脉冲所持续的时间再进行调节即可。

参考文献

[1] 卢秀和，杜东礼，郭志伟，等. 基于脉冲注入法的无刷直流电动机转子位置检测[J] .微电机，2008，41：70-75.

[2] 刘红平，崔儒飞，高慧敏. 无刷直流电机无位置传感器的启动研究[J]. 装备制造技术，2014，（9）：104-109.

[3] KIM T，LEE H W， EHSANI M. Position sensorless brushless DC motor/generator drives： review and future trends [J]. IET Electric Power Applications， 2007， 1（7）： 557-564.

[4] 林明耀，刘文勇. 无位置传感器无刷直流电机短时脉冲定位加速方法[J].电工技术学报，2011. 24（11）： 26-32.

[5] 朱俊杰. 无位置传感器无刷直流电机关键控制技术研究[D].长沙：中南大学，2014.

[6] 汤长波. 无位置传感器无刷直流电机启动方法研究[J]. 浙江理工大学学报，2011.11：49-54.

[7] 陈程，无位置传感器无刷直流电机启动技术的研究[D].长沙：中南林业科技大学，2012.

无刷直流电机的电流闭环控制 篇4

理想情况下,BLDCM的三相反电势是互差120°电角度的梯形波,该梯形波的平顶宽度为120°电角度,三相电流为互差120°电角度的矩形波,该矩形波的宽度也为120°电角度。此时,BLDCM的输出转矩脉动较小。但是,在实际情况中,反电势和相电流并非理想的梯形波和矩形波。因此,根据转矩脉动产生的根源,可以将BLDCM的转矩脉动分为齿槽转矩脉动、斩波转矩脉动和换相转矩脉动三种[1]。

在BLDCM调速中,一般采用PWM技术[2]。在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。该原理称为面积等效原理,它是PWM控制技术的重要理论基础。即通过一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要的电压波形,以改变施加在电机绕组上的相电压。BLDCM的驱动器其实就是三相逆变器,PWM控制技术在逆变电路中的应用最广泛,对逆变器的影响也最深刻。现在大量应用的逆变电路中,绝大部分都是PWM型逆变电路[3]。

不同的PWM开关状态将导致电机相绕组上施加不同的外加电压,不同的外加电压将产生不同的电流上升或下降速度,从而引起转矩随开关状态的变化而脉动,即斩波转矩脉动[4]。

在不考虑换相的过程中,斩波转矩脉动主要和PWM斩波模式(开关状态)、占空比、电机反电势、母线电压和电机本体参数有关[5]。本节以斩波模式入手,研究BLDCM的斩波转矩脉动。

综上所述,最有效的方法就是采样非换相电流,通过实时调节三相逆变器开关管的PWM占空比,改变施加在绕组上的瞬态电压,从而保持非换相电流的恒定,以减小转矩脉动。

2 相电流闭环控制方法

BLDCM相电流闭环控制框图如图1所示。整个系统主要由电流环和转矩计算等环节构成。

(图1)中,iset是外部的电流给定。由于电机三相绕组星形连接,在任何时刻三相电流之和为零,测量两相电流,即可计算出第三相电流。对于单方向旋转的泵类系统,一般没有剧烈的加减速过程,电机永远输出单方向的转矩。因此在转矩计算中,仅计算反馈的幅值,不考虑反馈电流的方向。此时,转矩计算模块如(图2)所示,将三相电流绝对值相加除以2,得到实际流过功率管的电流记为反馈电流if。由于BLDCM的电气时间常数很小,积分控制的延迟时间较长,无法及时抑制电流的脉动,电流环可采用纯比例控制。

对于伺服系统,为了满足电机加减速、正反转、起动制动以及电动发电运行对双方向转矩的要求,转矩计算不单单指电流幅值大小的计算,还包括电流方向的判断。从本质上讲,BLDCM属于交流电机,三相电流随着电机的旋转而交变,其相电流产生转矩的方向与电机转子的位置有关。

根据BLDCM电磁转矩Tem与相电流的公式,得

当电机顺时针旋转,在0～60°-60～120°换相阶段中,根据式(1),即

在60～12 0°非换相阶段,不考虑非导通相电流,,转矩公式为

当电机逆时针旋转,在120～180°-60～120°换相阶段中,减小,增大,是非换相电流,转矩公式为

因此,当考虑换相阶段三相导通时,转矩计算公式不仅与电机转子位置电角度有关,还和旋转方向有关。

3 仿真结果分析

2kW电机闭环转速给定为8000r/min,负载1.6Nm,母线电压270V。电机在第Ⅰ象限工作,分别对常规电流闭环控制方法和相电流闭环控制方法进行仿真。其A相电流(A)、母线电流(A)、转矩(Nm)、电机转速(r/min)波形如(图3、4)所示。

(图3)是开关频率为20kHz的常规电流闭环控制的仿真波形。可见A相电流的脉动较大,尤其在换相时刻,由于相电感的存在,在换相结束后的导通阶段相电流有一个逐渐增大的过程,在120°导通期间内相电流峰峰值为6.70A,平均值为8.61A,有效值为8.81A。

(图4)是开关频率为20kHz的相电流闭环控制仿真波形,其A相电流较平稳,未出现图3中的换相波动,但存在斩波脉动,在120°导通期间内相电流峰峰值为3.03 A,平均值为8.81 A,有效值为8.85A。母线上M点电流波动较小,平均值为5.11A。但换相转矩脉动依然存在,峰峰值为0.61Nm,转矩平均值为1.60Nm。转速波动范围为0.06r/min,平均值为7999.6r/min。

4 结论

在换相期间,分别在考虑斩波和不考虑斩波两种情况下的三相电流进行分析,指出了BLDCM的转矩脉动主要来自于非换相电流的脉动,提出了无非换相斩波的PWM方法,与其他斩波方法相比,该方法降低了关断相电流的下降速度消除了非导通相电流,有利于转矩脉动的减小。

摘要：分析了BLDCM的换相转矩脉动,指出了引起转矩脉动的主要原因是:关断相电流的下降速度大于开通相电流的上升速度,得到了减小电机低速运行时非换相电流脉动的方法,该方法的原理是令换相期间脉宽调制信号的占空比α等于两倍的稳定运行时脉宽调制信号的占空比α1(2α1=α法)。在此基础上,提出了基于三相电流的相电流闭环控制。指出只有三相电流控制才能有效控制相电流。分别通过仿真验证了基于三相电流的相电流闭环控制能够有效的减小非换相电流的脉动。

关键词：BLDCM,相电流控制,转矩脉动

参考文献

[1]韦鲲.永磁无刷直流电机电磁转矩脉动抑制技术的研究[D].浙江大学博士学位论文,

[2]Byoung-Hee Kang,Choel-Ju Kim,Hyung-Su Mok,Gyu-Ha Choe.Analysis of torque ripple in BLDC motor with commutation time[J].IEEE ISIE.2001:1044-1048.

[3]李自成,程善美,秦忆.不同PWM调制方式下无刷直流电机电磁转矩的计算[J].微电机,2010,43(3):10-13.

[4]Ki-Yong Nam,Woo-Taik Lee,Choon-Man Lee,Jung-Pyo Hong.Reducing torque ripple of brushless DC motor by varying inputvoltage[J].IEEE transactions on magnetics.2006,42(4):1307-1310.

产业用无刷直流电机 篇5

无刷直流电动机具有高效率,高精度,高转矩三高特性,能够轻松取代带速反馈的进口矢量控制变频器(或直接转矩控制),变频电机,直流有刷电机等;同时也可以取代不需高精度定位的伺服控制器,外形图如图6所示。是目前产业自动化与节电现代化的最重要驱动装置之一。.

无刷直流电机产品规范

容量范围:~400kW

极数:2~48极

电压:直流电压,电瓶电压,单相,三相交流高低压可选.

频率:50,60,400Hz,直流.

框号:标准品45~355M,非标产品欢迎订制.

保护方式:IP-44/IP-54

速度指令:电位器,0~5V,4~20mA,RS-485

加减速时间:0.1~120S

绝缘等级:B级绝缘(F极可选)

控制方式:PWM(载波频率2~18KHz)

最低转速:通用型150rpm,高精度型可更低.

最高转速:100~30,000rpm可选.

转速精度:±1rpm/最高转速

调速范围:1:10,高精度型1:100.

最大转矩:150%.

转矩特性:恒转矩输出特性

激活转矩:通用型:200%,电瓶车:400%,牵引电机:600%.

制动转矩:20%以上,更高能力可选.

返馈装置:三相霍尔(相差120°).高精度及伺服型用光码盘.

基本功能:正反转,多段速度.

7--无刷直流电机与传统直流有刷电机的比较

无刷直流电机因为没有碳刷与换向器,所以没有维修与保养的需要;由于采用永磁转子,没有激磁损耗的问题,综合效率高出10~20%左右(依据功率大小而定),低速转矩更大,激活转矩可达额定3倍,转速精度可达1/3000,不受电压与负载变动的影响.电机可以做成密闭型

或防尘防爆型等结构.因此能够完全取代传统有刷直流电机,而且运转费用更低,没有保养维修的烦恼，无刷直流与有刷直流及欧盟CEMED标准的效率比较请参见图7。.

图7各种直流电机效率比较图

8无刷直流电机与异步机加变频器的比较

虽然当今交流变频调速非常普遍,但是变频调速受限于异步电机的低效率,电机运转在低速时转矩变小,谐波损耗大,速度变动率大,动态性能不佳等缺失;虽然采用速度死循环矢量控制或直接转矩控制变频器时其可以满足性能需要,但是购置费用偏高,而且异步电机的效率,功因,低速发热仍然无法改善.

我们在注塑机行业与变频器节能改造作比较,无刷直流电机的综合节电率比交流变频要高出20%以上,注塑机没有降低生产速度(变频器降低约3%),电机温升相差20℃.

在风机水泵压缩机的负载上应用,功率--速度曲线实际上应该达到三次方关系,但使用变频器驱动异步电机其曲线可能只有平方比例或稍差;采用无刷直流电机驱动其曲线可以接近三次方曲线特性,节电效果更好.

典型高效率异步电机及变频器驱动后的效率曲线图如图8所示

图8效率曲线比较图

①BLDCM(无刷直流电动机)

②高效率异步机

③一般异步机

④无刷直流电机控制器

⑤变频器

参考文献

[1]许大中.晶闸管无换向器电机[M].北京:科学出版社,1984

[2]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京:机械工业出版社，

作者简介

戴政耀男台湾普传股份有限公司总经理。毕业于台湾明新技术学院电机工程科系,曾任职于台湾东元电机股份有限公司重电业务部门,熟悉各种电机与变频器产品的应用技术.

无刷电机 篇6

关键词：无刷直流电机;DSP;TMS320LF2407A

一、引言

无刷直流电机的特点是结构简单、运行可靠、维护方便。它又有传统直流电机控制简单、调速性能好、功率密度高、输出转矩大等特点。因此，无刷直流电机在工业机器人控制、数控设备、纺织、化工等工業控制领域得到了广泛的应用。所以，对无刷直流电机及其控制方法进行系统、深入的研究有十分重要的意义。

二、无刷直流电机系统的硬件设计

1.硬件系统总体设计。系统的硬件部分主要由主电路、控制电路和辅助电路等构成，其主电路部分包括整流、滤波、逆变电路等。逆变电路是由功率开关管构成的三相桥式结构。逆变电路对整流、滤波后的直流电压进行斩波，形成电压、频率可调的三相交流电，供给无刷直流电机，这样无刷直流电机就开始运转起来。控制电路以美国TI公司的TMS320F2407A芯片为核心，构成全数字化控制系统，对系统的控制与保护等负责，系统的控制参数和故障信息等保存在TMS320F2407A的存储器中。辅助电路由电源电路、驱动电路、检测与保护电路等组成。无刷直流无刷电机控制系统主要由如下部分组成：（1）逆变主电路;（2）TMS320F2407A控制单元;（3）驱动电路;（4）检测电路;（5）保护电路 。

2.TMS320F2407A控制单元

（1）控制器的选择。控制器是无刷直流电机控制器的核心，选用控制器需要考虑的是控制器要可靠，易于维护，可移植性强，效率高。有以下几种：1）专用芯片;2）单片机;3）数字信号处理器，其中数字信号处理器（DSP）采用了不同的内部结构。传统的通用微处理器大多采用的是冯·诺依曼结构（Von Neumann Architecture），它片内的程序空间与数据空间共用一个公共的存储空间。为了提高速度，现代DSP芯片内部一般采用的是哈佛结构（Harvard Architecture）或改进的哈佛结构。而哈佛结构最大特点是计算机具有独立的数据和程序存储空间。这样允许CPU可以同时执行取指令和取数据，提高了数据吞吐率，进而提升了系统的运算速度。流水线技术也可以帮助系统提高效率。硬件乘法器可以使得DSP在单周期内就可以完成取操作数，相乘并把结果放在累加器中。除此之外，特殊的DSP指令也会大大提高系统的性能，DSP有着非常丰富的片内外设。利用DSP来进行电机控制，可以减小系统的成本，另外，DSP还有如下的优势：1）速度快; 2）存储容量大;3）软件编程灵活;由此可见，数字信号处理器比较适合作为电机控制的中央控制单元。基于以上分析，本设计中采用TI公司用于电机控制的2000系列CPU，其型号为TMS320F2407A。

（2）控制板设计。由前面分析可知，系统采用的控制器是TI公司的TMS320F2407A DSP芯片。下面介绍DSP及其最小系统的外围接口电路。DSP控制板主要由DSP芯片、外扩存储器、JTAG仿真调试接口和CPLD译码电路组成。下面介绍下外扩存储器电路，JTAG仿真调试接口和CPLD译码电路组成。TMS320F2407A内部存储容量有限，同时考虑到调试过程中可以将程序下载到片外高速SRAM中，系统进行了外部RAM的扩展，系统选用两片IS61LV6416，用于存储数据。在DSP存储器的扩展中，需要注意的是存储芯片的数据读写速度，因为DSP的指令周期都很短，对于速度很慢的存储器需要插入很多等待周期，以免DSP对它的读写发生错误。

3.驱动电路设计。由前面的逆变主电路可知，整个系统的核心就是DSP产生6路PWM波，并且控制每个PWM的脉冲宽度和导通时间，PWM信号经过驱动电路来控制MOSFET，MOSFET是IR公司的IRF3205，这是一款电压型控制器件，其开通电压为12-15V，但DSP输出的电压高电平为3.3V，不能满足驱动IRF3205的要求。则需要设计一个电平转换电路来把DSP的3.3V信号，转化为15V信号，此时就考虑到用一个光电器件。由于PWM频率为10K，则就需要选择一个高速的光耦，一般高速光耦有HCPL4504、PC817和东芝系列的TLP250。我们选择了日本东芝公司的TLP250，光耦TLP250是一种可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本东芝公司生产，其最大驱动能力达1.5A。选用TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，使驱动电路特别简单。

图1 下桥臂的MOSFET驱动电路

三相逆变主电路中有六个MOSFET需要控制，可以分为三对开关管。V1与V2为一对管。V1与V2两个不能同时导通，否则会出现电源与地直通情况。六个MOSFET都需要控制。其中下桥臂的三个MOSFET可以共地。采用典型的TLP250应用电路来实现MOSFET的驱动。电路图如图1所示：

4.保护电路设计。系统的保护电路分为欠压、过流保护。欠压保护就是检测输入端直流电压 ，要是系统发生短路，当采样电压低于设定的门限值时，DSP将PWM输出引脚置为高阻态，封锁PWM的信号的输出，达到保护电路电机本体和功率管的目的。

过流保护电路是为了防止电机在过载、起动和运行异常时由于电流过大而对功率开关管和电机本体产生损害而设计的。特别是当电机堵转的时候，此时电流非常大，DSP一定得做出相应的动作来保护整个系统。

三、结语

无刷直流电机凭其自身的特点使其得到了越来越广泛的应用，特别是在电机驱动、机器人等领域。无刷直流电机采用电子换向，与传统的直流电机相比，它提高了系统的可靠性和维护性，同时又保持了直流电机的良好的调速控制性能。并且随着电力电子技术、计算机控制技术以及DSP技术的飞速发展，使得无刷直流电机控制系统有了很高质量的硬件平台。本文介绍了无刷直流电机控制系统的硬件实现。首先介绍了整个系统硬件构架。然后详细介绍了系统的主电路，控制电路，功率驱动电路、检测与保护电路。对电路的方案选择以及参数计算做了详细的阐述，对DSP控制单元及并且设计了控制板的外围电路，该设计结合算法能够使无刷直流电机控制系统获得更快的响应速度，更高的稳态精度，更好的抗干扰性能。

参考文献：

[1]殷云华. 基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计和仿真研究：[硕士论文].中北大学，2007.

[2]李文. 集成化无刷直流电机及其控制系统设计与研究：[硕士论文].武汉理工大学，2009.

解析无刷直流电机的工作原理 篇7

传感器的无刷直流电机与无传感器的无刷直流电机的基本工作原理是一致的, 主要差别是有传感器的无刷直流电机是利用如霍尔元件作为位置传感器来检测转子位置信号。而无位置传感器的无刷直流电机取消了作为位置传感器的霍尔元件, 利用一些控制算法来计算出转子位置信号。虽然研究的是无位置传感器的无刷直流电机, 但可以简单的通过有位置传感器的无刷直流电机的工作原理的叙述来了解无位置传感器的无刷直流电机的工作原理。无刷直流电机的基本工作原理就是借助反映转子位置的位置信号, 通过驱动电路, 驱动逆变电路的功率开关元件, 使电枢绕组依一定顺序馈电, 从而在气隙中产生步进式旋转磁场, 拖动永磁转子旋转。随着转子的转动, 转子位置信号依一定规律变化, 从而改变电枢绕组的通电状态, 实现无刷直流电动机的机电能量转换。

1 无刷直流电机的基本组成

无刷直流电机主要由电机本体, 位置传感器和电子换向线路组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似, 但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相 (三相、四相、五相不等相) 。转子由永久磁钢按一定极对数 (2p=2, 4, ……) 组成。当定子绕组的某一相通电时, 该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场互相作用而产生转矩, 驱动转子旋转, 再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号, 去往控制电于换向线路, 从而使定于各相绕组按一定次序导通, 定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子换向线路的导通次序是与转子转角同步的, 因而起到了机械电刷和换向器的换向作用。因此, 可以把无刷直流电机认为是一个由电子换向线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者共同所组成的“电动系统”。

2 无刷直流电机的工作原理

永磁无刷直流电机一般由以下几部分构成:电动机本体 (带有电枢绕组的定子和永磁转子) 、位置传感器和电子换向电路。在无刷直流电机中, 借助反映转子位置的位置传感器的输出信号, 通过电子换相线去驱动路与电枢绕组联接的相应的功率开关元件, 使电枢绕组依次馈电, 从而在主定子上产生跳跃式的旋转磁场, 拖动永磁转子旋转。随着转子的转动, 位置传感器不断的送出信号, 改变电枢绕组的通电状态, 使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变, 这就是无刷直流电动机的无接触式换流过程的实质。其原理如图1所示:于无刷直流电机中永久磁钢装在转子上, 而有刷直流电机磁钢装在定子上。无刷直流电机的电子换向线路是用来控制电机定子上上各相绕组通电的顺序和时间的, 主要由功率开关单元和位置传感器的信号处理单元两个部分组成。

功率逻辑开关单元是控制电路的核心, 其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电机的各项绕组, 以便使电机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的转子位置信号。但是, 由位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元, 需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。

众所周知, 一般的永磁式直流电机的定子由永久磁钢组成, 其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换相作用, 使得这两个磁场的方向在直流电机运行的过程中始终保持相互垂直, 从而产生最大转矩而驱动电机不停的运转。有刷直流电机的电刷起着电枢电流换向位置的检测作用。和无刷直流电机相比, 就不难看出, 其实无刷直流电机和有刷直流电机一样, 本身都是一台同步电机, 只是有刷直流电机中加的是一个机械的逆变器一换向器和电刷, 而无刷直流电机中采用电子换向装置一电子逆变器代替机械换向器和电刷的作用。尽管二者构造不同, 但它们所起的作用却是完全相同的, 都是为了实现直流电机的换相。

3 无刷直流电机的位置检测方法

无刷直流电机运行是通过逆变器功率器件随转子不同位置相应改变其不同触发状态来实现的。因此准确检测转子位置并根据转子位置准时切换功率器件触发组合状态是控制无刷直流电机的关键。转子的位置检测装置最直接、有效是利用位置传感器得到不同位置信号经门电路、模拟开关或专用芯片可得到不同触发逻辑信号, 实现触发状态的自动切换。但是位置传感器使用增加了电机体积, 使无刷直流电机微型化带来了困难, 也增加了电机制造的工艺。

为了省去位置传感器, 人们设计了多种方法来检测转子位置。端点压检测法是根据各相反电势随转子位置改变, 把三相端点压经低通滤波器延时900电角度, 在经比较电路得出触发逻辑信号。但该方法存在着低通滤波器在电机低速时对不足900电角度情况, 导致触发信号提前切换, 对电机电流, 转矩产生较大影响, 严重时引起电机失步。在端点压检测法的基础上可以在电机低速运行时采用三相端点压两两比较直接得出触发逻辑信号的方法, 在整个运行段根据不同转速, 在两个位置检测电路之间进行切换。随着微处理器的应用, 利用软件可以完全简化端电压检测的位置检测信号。

还可以通过检测于功率器件反并联的二极管的导通与否来判断绕组反电势的过零点。这种方法在低速时也能检测到二极管的导通, 是电机能在低速时正常运行且有利于顺利完成启动过程。但是, 这种检测方法需在二极管上并列检测电路。这对于集成的功率器件很难实现, 并且二极管的导通时刻并不是绕组的真正过零时刻, 要想消除这种误差就必须另加补偿电路。

还有一种检测转子位置的新方法, 在永磁转子的表面粘贴一些非磁性的导电材料, 利用定子绕组高频开关工作时非磁性的导电材料上的涡流效应, 使开路相电压大小随转子位置角而改变。从而可通过检测开路相电压来判断转子位置, 此法不依靠反电势。因此能保证电机在低速时可靠运行和顺利起动。但此方法需特殊电机, 对电机制造工艺有很大要求。

4 结论

首先详细的论述了无刷直流电机的基本组成:电机本体, 位置传感器和电子换向线路。并且在此基础上把无刷直流电机与有刷直流电机作以比较, 由此引出无刷直流电机的优点。进而提出了性能优于无刷直流电机的无位置传感器的无刷直流电机, 同时指出了由于无位置传感器的无刷直流电机的工作原理与有位置传感器的无刷直流电机相类似, 所以可用有位置传感器的无刷直流电机的数学模型等来说明无位置传感器的无刷直流电

然后详细介绍了无刷直流电机的工作原理, 当中还包括了对无刷直流电机的反电势、力矩波动得意些简单的分析。

最后详细的介绍了无位置传感器的无刷直流电机的位置检测方法, 及各种方法的优缺点。着重对于在中对于无刷直流电机的位置检测的反电势法做以介绍, 并分析其优缺点, 同时简单的说明了对于其缺点的克服。

参考文献

[1]罗隆福, 杨艳, 方日杰.无刷直流电动机中有待深入研究的主要问题[J].微特电机.2002 (l) .

[2]丁志刚.无刷直流电动机的研究和开发进展[J].微电机.2003 (l) .

[3]白雷时, 杨华.基于DSP的无刷直流电动机控制系统[J].电器传动自化.2002 (4) .

无刷电机 篇8

在低功耗的伺服应用领域,传统的直流电机因其价格低廉、易于操作等优点而备受欢迎。但其主要缺点是电机集电环的使用寿命很短。此外,电刷火花会损坏转子线圈,引起电磁兼容性(EMC)问题,而直流无刷电机的线圈换向是通过电子逆变器而不是使用集电环,因而避免了这类问题,并且其具有高能量密度、高转矩惯性比、高效率等特点,因而得到广泛的应用[1]。然而,电机在运行过程中会由于超负荷、过热等原因而发生故障。因此,在电机故障前尽早地检测出故障并采取相应措施是非常必要的。

近年来,在电机故障诊断领域进行的研究很多,这些研究主要是针对带有机械集电环的传统直流电机进行研究的,也有一些研究是针对感应电机的。本文给出了一种直流无刷电机的故障检测机制,可对电机进行详细的故障排除。使用LS参数估计技术,可以确定电机的物理参数,如阻抗、反电势等。将这些参数与正常系统下所测量的数据进行对比,从而检测出故障。

1 系统建模与故障检测

本文使用的是参数估计技术。过程参数的测定只需要使用输入信号和输出信号。下列的差分方程表示一个连续过程的建模。

u(t)是输入信号,y(t)是输出信号,其中,系数ai和bi对应相应的物理参数,它们可以由参数估计算法决定,如最小二乘法(LS)理论,具体方法如下。我们可以将式(1)写成以下带参数和连续时间数据的向量形式:

其中参数和连续时间数据向量分别是:

为了进行参数估计,引入了方程误差e(t)。

进行离散时间取样后,k=t/T0=0,1,2…,N,其中,T0表示取样时间,LS和的最小值

可以进行LS估计

或者以递归的形式(RLS)进行在线估计

在本论文中,采用离散平方根信息滤波算法形式(DSFI),取代了基本算法,改进了数值属性[11]。

2 数学过程建模

在本节中,将推导出直流无刷电机的数学过程建模。采用四极永磁转子的星形连接三相方波电机是由PWM变频器驱动,转子的位置由MOSFET晶体管的切换顺序决定,可以由安装在定子上的三个霍尔传感器检测到(见图1)。

通过调整定子线圈的输入电压来控制电机的速度,为了控制定子线圈的输入电压,可利用上面一排晶体管中激活的(可传导)晶体管来调制PWM速率。如果忽略定子线圈的电感,单线圈的数学模型可以得出如下:

相位1的梯形反电势是,其中,是转子的角速度,kE1是反电势常量,v1表示的是与参考电压相关的相位电压,而vn则是星点电压[9]。

图1 PWM变频器连接三相直流无刷电机(参见下页)

因此,对于所有的三相位[12],都有下面的方程式系统:

通常情况下,我们无法获取星点,也就无法获得各自的电压,由于其中一个线圈始终是打开的,可以消除式(11)中的vn,方程就会变得更加简单。假定线圈1和线圈2都可运行,就有条件v1=vpwm,v2=0,i2=-i1以及i3=0,应用到上述方程中,能够得到:

另外有条件vpwm(t)=pwm(t)·vb,它表示PWM由晶体管的输入电压vb调制,而pwm∈[-1…]。PWM信号pwm由内部控制器生成。v0是电源变频器中的电压降,通常认为是一个常量。由此可以得出其他五种情况下的等价方程[7]。

为了能够提供一个经济合理的解决方案,并且避免测量所有相位电流和电压,仅测量六相位全桥电流的输入电流ib,输入电压vb以及转子的角速度ωr。考虑到功率平衡,可以从桥电流中得出平均相位电流:

将该关系式及式(12)的平均值应用于五种情况,可以得到:

基于式(16),可以通过测定方程--式(17)得出相应的转子阻抗及反电势常量。

因此,必须测定直流输入电压vb,桥电流ib(t)以及转子的角速度ωr(t)。由于信号pwm(t)是控制器输出,所以它是已知的,不需要测量。

3 仿真实验

采用MATLAB/Simulink对直流无刷电机的误差检测进行仿真。为了保证持续励磁,模型输入(PWM信号)由伪随机二进制信号(PRBS)提供。由于电机的机械时间常量大约为10ms,取样时间接近0.5ms,在测试过程中,将会引入两个故障。

·当t=0.35s时,所有线圈的相位阻抗都按10%递增,以模拟持续升温的定子。

·当t=0.58s时,线圈2将由于线圈损坏或连接器损坏而中断。

这里需要测量,以及角速度ωr(t)三个信号,角加速度是未知的,在电力子系统的分析过程中不需要这个参数,但是在机械模型中它是必须的,可以通过状态可变滤波器三阶,截止频率:200Hz产生。参数估计所需要的其他所有信号均由同一个滤波器产生[8]。

图2显示的是上述两个故障对估计参数和的影响。在瞬态之后,这两个参数分别达到其额定(耦合)值8、0.0375V.s/rad。故障检测算法可以准确地检测到第一个故障的发生,在若干毫秒内将达到8.8的准确值。这对的影响很小,而且持续时间很短。如果某一个阻抗发生改变,我们将无法确定是哪个线圈发生改变,只能测定阻抗的全程值,在测定过程中,单相位改变可以由下式反映:

如果需要提供更详细的线圈故障排查信息,那么在故障检测方案中,需要基于所有三相电流测量来测定三相阻抗和反电势常量。

第二个故障是发生在t=0.58s时,此时,估计阻抗和反电势常量会发生严重偏差,但是偏差是不规则的。相对于线圈停止工作而言,参数更改只是很小的变动,考虑到估计参数的变量的存在,在正常参数发生改变时,这个故障很容易识别。

4 实验结果

在第3节中,已经推出了直流无刷电机的数学模型,描述了故障对测定的这些参数的影响,并进行了仿真实验。本节将给出现实伺服系统中该方法的实际应用。试验平台采用美国国家仪器公司(National Instruments)的Lab VIEW工具软件和PCI6251数据采集卡,以增量式光电编码器和霍尔电流传感器作为检测元件,完成数据的采集、处理和显示。

直流无刷电机在无故障情况下的默认参数在表1中给出。考虑到抗锯齿作用,可以使用模拟低通滤波器(截止频率为500Hz)过滤模拟信号。采样时间为1ms,转子角速度使用基于霍尔传感器脉冲的状态变量过滤器(三阶,截止频率为5Hz)进行计算。直流无刷电机以闭环方式工作(见图3),以轴位置的类三角缓慢变化的方式,采用了一个在正常操作中的现实参考信号。当t=65s时,线圈阻抗以循环方式,在电路中以2Ω的方式递增,以模拟逐渐增温的定子。

图4所示是测量的故障。当故障产生时,参数约为1.4Ω,前面已经提到,是耦合线圈的阻抗,只有当所有的物理阻抗都进行估计后才给出。单个线圈的改变则根据式(18)进行计算,其他计算则按原来的计算方式进行。试验结果表明,在直流无刷电机运行过程中可以对一些常见故障进行很好的在线检测。最后,需要指出的是,对于线上应用,必须保证持续励磁[10],这点必须有相应的监管机制。

5 结语

本文采用了一种用于直流无刷电机故障检测的方法。通过LS参数估计技术,可以对较少的可测量信号进行测量,从而获取电机的详细故障信息,即使参数发生较小改变也能够被检测到。因此,基于桥输入电压/电流以及转子角速度,我们可以建立一个模型,从该模型以及实验数据中,可以反映出故障检测的性能。此方法既可以在下线检测中使用,也可以应用在在线故障检测上。

参考文献

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[2]李晓虎,贾民平,许飞云.频谱分析法在齿轮箱故障诊断中的应用[J].振动、测试与诊断,2003,23(3):168-170.

[3]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,1996.　

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矿用无刷直流电机控制技术研究 篇9

随着永磁材料、自动控制技术和电力电子技术的发展, 直流电机获得空前发展, 一种电子换相的无刷直流电机应运而生。无刷直流电机不仅具有传统直流电机良好的动、静态调速特性, 且易于控制、运行可靠, 在航空航天、医疗和家电等领域迅速发展。

电子换相器取代机械换相器, 避免了换相过程机械摩擦所产生的花火, 提高了安全性能, 为其在煤矿领域的应用奠定基础。

一、控制方式选择

按照矿用无刷直流电机主回路控制方式的不同分为三相半控和三相全控两种, 三相半控方式驱动电路由三个功率开关管并联组成, 电路结构简单, 但每个周期电机绕组只有1/3的时间通电, 另外2/3时间则不通电, 绕组的利用率低;三相全控方式的驱动电路由功率开关管两两串组成三个桥臂, 然后三桥臂相互并联组成桥式驱动电路, 电机在工作的过程中至少有两相绕组同时通电, 绕组利用效率高, 所以控制系统采用三相全控方式进行控制。

二、控制系统整体设计

矿用无刷直流电机控制系统由DSP、整流电路、隔离驱动电路、IPM、电压检测电路、电流检测电路、位置和速度检测电路及控制面板组成, 控制系统结构框图如图1所示。控制面板用于控制命令的输入, 包括启动、停止和参数设置。DSP根据位置检测电路反馈的电机转子信息, 控制PWM信号输出引脚发送驱动信号经过隔离驱动电路到IPM模块的控制端, IPM模块不同桥臂的功率器件导通控制无刷直流电机转子线圈的通电顺序, 驱动无刷直流电机持续旋转。

三、硬件电路设计

3.1功率驱动电路设计

为了简化外围电路, 选用DIP-IPM智能功率模块PS21865为核心设计外围电路。PS21865内置三相交流输出的IGBT逆变器, 采用+15V电源供电, 不需要光耦隔离可以直接与单片机或DSP的PWM信号输出端口进行耦合, 从而省去6套隔离电路。

PS21865智能功率模块最大电流20A, 最高阻断电压600V, 最大载波平率20k Hz。PS21865模块自身带有过压、过载和过流等故障的保护功能, 能够实时检测母线电压、电流等信息, 当发生故障时可以封锁控制信号的输出, IPM典型接线电路如图2所示。

同时将故障信息反馈给处理器为了防止操作过电压对功率模块的损坏, 采用吸收电容连接在功率模块的直流母线正、负极。

3.2位置和速度检测

矿用无刷直流电机控制系统根据电机转子位置进行换相, 采用三个互成120°的霍尔传感器检测电机转子磁场变化来判断电机转子位置, 在电机旋转时霍尔传感器输出高低电平, 不同的高低电平对应相应的换向时刻。DSP通过检测霍尔传感器输出信号, 判断电枢绕组的通电方式, 发送驱动信号控制IPM的通断, 进而实现矿用无刷直流电机的正确换相。在每个机械周期内有六次换相, 测量每次换相的时间间隔, 就可以计算出电机运行速度。

3.3电流检测

电流检测由霍尔电流传感器、运算放大器和DSP内部的A/D转换器组成, 运算放大器用于放大电流信号。由于矿用直流电机三相绕组的电流代数和为零, 即IU+IV+IW=0, 所以只要测量任意两相电流值就可以计算出另外一相电流。根据控制对象电流值, 选用的是SCK15型非接触式霍尔电流传感器对电流量进行测量, 传感器采用DC±12-15V供电, 输出信号为±4V的电压信号。

3.4声光报警电路

声光报警电路是将发光二极管和蜂鸣器相结合, 在系统故障时能够发出光和声音两种警示的电路, 如图3所示。图3中P1.0和P1.1是DSP的数字信号输出端口, 当P1.0端口输出低电平时, 发光二极管D1导通, 同时发出红色的警示;当P1.0端口输出高电平时, 驱动三极管Q导通, 蜂鸣器中有电流流过, 发出声音警示。

四、结论

结合煤矿无刷直流电机绕组的控制方式, 利用先进的数字信号处理器 (DSP) 和智能IPM模块设计煤矿无刷直流电机控制系统。控制系统能够根据设备运行要求驱动电机动作, 具有控制精度高、稳定性好及安全性强等优点。

摘要：为了提高煤矿无刷直流电机控制系统的可靠性, 在分析煤矿无刷直流电机控制方式的基础上, 设计一种基于IPM的矿用无刷直流电机控制系统。提出控制系统的整体设计方案, 并对功率驱动电路、电流检测电路、位置和转速检测进行详细设计。同时, 设计声光报警电路, 提高了控制系统的稳定性和安全性。

关键词：煤矿,IPM,直流电机,控制技术

参考文献

[1]王成元, 夏加宽, 孙宜标.现代电机控制技术[M].北京:机械工业出版社, 2010.56~59.

[2]张相军, 陈伯时, 朱平平.直流无刷电机无位置传感器控制中反电动势过零检测算法及其相位修正[J].电气传动, 2001 (2) 14~16.

[3]张强, 任一峰, 林都等.空间矢量脉宽调制算法 (SVPWM) 的原理及其仿真研究[J].电气技术, 2010 (6) :35~38.

无刷同步电机过励磁的故障分析 篇10

某化工厂以焦炉煤气和氢气为原料,采用煤基液体燃料合成浆态床工业化技术生产柴油、石脑油、LPG等产品。合成车间有4台大型往复式压缩机,均采用10kV/2 650kW无刷励磁同步电机驱动,配套的WLK-03SC励磁系统的励磁电压为97V,励磁电流为15.8A,为恒功率因数自动控制方式。

1 无刷同步电机励磁系统

系统静态励磁控制柜采用双微机控制,当A套控制机工作时,B套控制机处于热备状态,可以自动或手动切换。系统由交直流电源双回路供电,当任一路电源消失后,另一路电源仍可保证装置的正常工作。

1.1 控制回路构成

系统由静态励磁控制柜、交流励磁发电机、旋转整流器构成,如图1所示[1]。

静态励磁控制柜包括励磁调节器CC(A套控制机和B套控制机)、调压器、三相半控整流桥。静态励磁控制柜为无刷同步电机中的交流励磁发电机提供励磁电源,可在0.3～1.2Ue范围内调节励磁电流,实现自动恒功率因数或恒励磁电流调节。励磁调节器CC的A、B套控制机均可在线无扰动切换。

交流励磁发电机与同步电机转子安装在同一个主轴上,采用定子励磁、转子发电方式。旋转整流器由三相半控桥式整流电路、起动电路、控制模块、灭磁电阻组成,均安装于交流励磁发电机的转子上。

1.2 工作原理

与同步电机主轴一起旋转的交流励磁发电机转子绕组感应出三相交流电,该三相交流电经旋转整流器整流后供给同步电机转子绕组励磁。调节交流励磁发电机定子绕组的励磁电流,就可使交流励磁发电机的转子所发出的三相交流电压得到调整,从而改变同步电机转子励磁绕组的励磁电流。同步电机起动、停车时的灭磁环节和同步电机的投励环节都安装在转子上,均在旋转状态下工作实现无刷励磁。

2 故障现象

某日凌晨,原料气压缩机异步起动后正常投励,励磁调节器采用A套控制机工作,控制方式为自动恒功率因数。运行几分钟后,静态励磁柜发出“过励报警”信号,励磁调节器自动转换为手动控制状态,并将控制角α锁定在初始角90°。值班人员检查电网电压10.3kV和电机负荷1 685kW无异常后,按下调节器的“故障解除”按钮复位故障信号,励磁调节器恢复为自动控制状态,此时发现控制角α减小到最小角60°，励磁电流持续增大到27A,持续5s后发出“过励报警”信号,励磁装置再次将控制角α锁定在初始角90°。值班人员将励磁调节器切换为B套控制机工作后,静态励磁装置运行正常,控制角α为103°,励磁电流为6.5A,励磁系统实时跟踪负荷变化调整功率因数设定值为超前0.9,无任何报警。值班人员在线更换了A套控制机的ACPU板、AI/O板、ADY板,将励磁系统切换至A套控制机工作后,过励故障仍然存在。

3 故障分析

造成过“过励报警”的常见原因有:系统电压低励磁系统长时间强励;电机过载运行;励磁输出回路发生短路;励磁参数设置不当或励磁系统的电力电子元件损坏。下面针对这些原因逐一进行排查分析。

当系统电压低、电机过载或励磁输出回路短路时,为了保证设备的稳定运行,励磁系统会自动实行强行励磁,使同步电机的励磁电流增大到过励磁限制值。查看故障当时的系统电压为10.3kV,属于正常电压值;同步电机运行负载为1 685kW,小于2 650kW额定值。停机后,测量励磁电流输出回路绝缘,结果良好。于是排除了系统电压低、电机过载和励磁回路短路造成过励报警的可能。

与过励相关的设定参数有:过励限制定值OEL=1.4p.u,过励限制延时T3=5s,励磁电流显示倍乘Xif=15.8A。OEL×Xif为过励保护定值,当励磁电流大于此值时,且持续时间达到T3设定值时,即发出“过励报警”信号[2]。查看装置说明书并与B套控制机的相应参数核对后得知上述3个参数设定值合理,排除了励磁参数设置不当造成过励报警的可能。

根据故障现象(A套控制机发生“过励报警”后切换至B套控制机能够继续运行正常),可以初步判定A、B套系统的共用回路部分应无故障,即交流励磁发电机、旋转整流器、静态励磁整流部分、脉冲输出隔离单元等回路正常,故障范围缩小至A、B套各自独立的控制回路,即模拟量输入隔离单元或IO板、CPU板、DY板。由于故障时值班人员在线更换AIO板、ACPU板、ADY板后故障仍存在,因此应重点检查A套控制机的模拟量输入隔离单元。

A套控制机的模拟量输入隔离单元的参数及接线如图2所示,4个传感器依次为励磁电压ULBS、励磁电流IL-BS、系统电压UbcBS、电机定子电流IaBS。

将静态励磁控制柜转换开关切换至“调试”位置,手动增减励磁后,测量得到的传感器电路板的输入/输出数据见表1。

根据图2提供的传感器变比值对表1的输入/输出数据进行分析,得知励磁电压ULBS、励磁电流ILBS、电机定子电流IaBS传感器工作正常;而系统电压UbcBS传感器输入70V、100v时输出仅为2.0V,正确输出值应分别为2.45V、3.5V。由于系统电压UbcBS传感器的二次值偏低,进而造成A套控制机误判为系统电压一次值偏低,使励磁系统长时间强励输出,且大于过励限制延时时间后发生“过励报警”。更换A套控制机的模拟量输入隔离单元,重新起动同步电机后,系统运行正常。

4 结束语

本次励磁系统频繁报“过励报警”是由模拟量输入隔离单元的系统电压传感器损坏,造成励磁调节系统误判为系统电压低所致。励磁装置是保证同步电机正常稳定运行的重要辅助设备,为了减少其故障率,励磁设备制造单位应提高励磁装置的产品质量,采用优质、可靠的元器件,避免类似故障发生。同时,励磁系统的电力电子元件较多,且易损坏,因此应准备充足的备件。

摘要：介绍一起无刷同步电机运行时发生的过励磁故障,结合WLK-03SC无刷励磁控制原理和结构,分析故障原因,并提出相应的处理措施。

关键词：无刷励磁,同步电机,过励磁

参考文献

[1]WLK-03SC型无刷静态励磁装置电气图册[Z]