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小型磨粉机的自动化控制研究(十四) 无刷直流电机
时间:2020-03-11 08:00:20 | 来源: | 作者: | 浏览次数:

 无刷直流电机

(1) 无刷直流电机的组成[41][43]

BLDCM 是由永磁电机本体、转子位置传感器和功率开关器件(逆变器)三部分组成,其基本结构如图 4.8 所示。
图 4.8  无刷直流电机结构图
Fig.4.8 Structure of BLDCM
A. 永磁电机本体
BLDCM 本体通永磁同步电动机(PMSM)非常相似,只是没有笼型绕组和启动装置。通常情况下 BLDCM 本体定子多为三相结构,绕组分为布式或集中式,且多为 Y 型接法。永磁转子多用稀土永磁材料,瓦片型永磁直接粘贴在转子铁心上,故其气隙磁场在空间呈矩形分布。
转子的永磁钢与有刷直流电动机中所用的永磁钢的作用相似,均是在电动机的气隙中建立足够的磁场,其不同之处在于 BLDCM 中永磁钢装在转子上,而有刷直流电动机的永磁钢装在定子上。在定子绕组通电后,与转子磁钢所产生的磁场相互作用,产生力或转矩,驱动转载带动外负载一块转动,从而决定了电动机的运动过程。
B. 逆变器
逆变器用于给电动机定子各相绕组在一定时刻通以一定时间长短的恒定直流电流, 以便与转子永磁磁场相互作用产生持续不断的恒定转矩。逆变器的开关器件可以采用GTO、MOSFET 和 IGBT 等可关断器件。逆变器的结构有半桥和桥式两种,但多采用桥

 
式结构,对于三相 BLDCM 来说,其三相桥式逆变器和普通的三相直—交逆变器结构十分相似,单各桥臂元件一般只在一个输出频率周期内开、关一次。
C. 位置传感器
各相绕组通电顺序、通电时刻和通电时间长短取决于转子磁极与定子绕组空间的相对位置,传统的 BLDCM 通过位置传感器来获得转子位置信号,并经过逻辑处理,功率放大后形成逆变器的触发信号,再去控制定子绕组的通、断,实现换相功能。在 BLDCM 中常用的位置检测装置有以下几种:
a. 电磁式位置传感器
这是一种利用电磁效应来实现位置检测的传感元件,有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种形式,其中开口变压器使用最多。
b. 磁敏式位置传感器
磁敏传感器利用电流的磁效应进行工作,所组成的位置检测器由与电动机同轴安装、具有与电动机转子同极数的永磁转子和多只空间均匀分布的磁敏元件构成。目前常用的磁敏元件为霍尔元件或霍尔集成电路,它们在磁场作用下会产生霍尔磁势,经整形、放大后即可输出所需电平信号,构成原始的位置信号。
c. 光电式位置传感器
这是一种利用与电动机同轴安装、带缺口旋转圆盘对光电元件进行通断控制,以产生一系列反映转子位置空间脉冲信号的检测方式。对于三相 BLDCM 来说,一般每 1/6 周期换相一次,因此只要采用与电磁式或霍尔式位置检测相似的简单检测方法即可,不必采用光电编码盘的复杂方式。
(2) 无刷直流电机的控制方式[82~87]
目前,无刷直流电机的控制方式按照有无转子位置传感器来划分,可以分为:有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。
A. 有位置传感器控制方式
有位置传感器控制方式,指在无刷直流电机定子上安装位置传感器来检测转子在运转过程中的位置,将转子磁极的位置信号转换成电信号,为电子换相电路提供正确的换相信息,来控制电子换相电路中的功率开关管的开关状态,保证电机各相按顺序导通, 在空间形成跳跃式的旋转磁场,驱动永磁转子连续不断地旋转。无刷直流电机中常用的位置传感器有电磁式位置传感器(如磁阻旋转变压器)、光电式位置传感器(如遮光板)、磁敏式位置传感器(如霍尔位置传感器)等。电磁式位置传感器输出信号较大,一般不需耍经过放大便可以直接驱动开关管,但是它的输出为交流信号,必须先整流后才能利用, 并且笨重复杂,因而在方波电机中基本上已经被淘汰;光电式位置传感器轻便可靠、安装精度高、调整方便,应用较为广泛;磁敏式位置传感器可以分为两类:非锁量式和锁量式霍尔位置传感器。非锁量式霍尔位置传感器应用范围较小,只能在一些简单应用场合应用。锁量式霍尔位置传感器目前有比较成熟的 IC 器件,具有体积小、简单可靠、

 
安装灵活方便、易于实现机电一体化等优点,是目前应用最为广泛的位置传感器。
近年来,随着控制理论的不断发展,许多现代控制理论,如 PID 控制、模糊算法、神经元网络和专家系统等,被用于无刷直流电动机的控制,一般将它们通称为智能控制法。智能控制法包括模糊控制和 PID 相结合的 Fuzzy-PID 控制,神经网络和模糊控制相结合的复合控制以及遗传算法和模糊控制相结合的控制等多种控制方法。智能控制法是控制理论发展的高级阶段,具有自学习、自适应、自组织等功能,能够解决不确定性问题、非线性控制问题以及其它较复杂的问题。
B. 无位置传感器控制方式
无位置传感器无刷直流电机的控制是指不依赖位置传感器,通过另外的方式得到转子的位置信号、角速度等状态量,确定逆变器功率管的切换,进而对定子绕组进行换相, 保持定子电流和反电势在相位上的严格同步的一种控制方式。在无位置传感器的控制方式中,研究的核心问题主要是如何通过软件和硬件的方法,构建一种转子状态量的检测电路。由于可以直接测量到的一般只有相电压和相电流这两个量,因此,国内外研究成果所提出的无位置传感器控制方法中,绝大部分都是基于以上两个观测量的,其中较为成熟的有反电势法、三次谐波检测法、电流通路监视法、电感法、状态观测器法等。
磨辊电动执行机构,选配 57BL(3)-(ST)系列 BLDCM 主要性能见表 4.1。
表 4.1  性能参数
Table4.1 Performance parameter
参数 符号 单位 B40-30
额定输出功率 PN W 400
配套驱动器型号     PSDA-1023A1
额定电源电压 V1N V 220V(AC)
额定转速 nN rpm 3000
额定转矩 TN Nm 1.273
峰值转矩(瞬间) TP Nm 3.819
最高转速 nP rpm 3600
电势系数 ke Vs/rad 0.411
转矩系数 kt Nm/A 0.411
转子惯量 Jr Kgm2 0.261×10-4
电枢绕组(线间)电阻 R Ω 6.06
电枢绕组(线间)电感 L mH 13.51
摩擦和磁滞转矩 Tf Nm 0.01808
阻尼系数 β Nms/rad 7.403×10-5
额定线电流(有效值) IN A 2.497
额定线电压(有效值) VN V 114.7
峰值电流(有效值) IP A 7.334
额定功率增长率 QN KW/sec 62.1
机械时间常数 Tm msec 0.936
电气时间常数 Te msec 2.23
 
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