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PMSM 的问题 控制比直流伺服电机要复杂的多; 控制比直流伺服电机要复杂的多; 要想实现力矩控制,必须有角位置传感器,以测 量 d-q 坐标系的旋转角; 要想实现力矩控制,必须有角位置传感器,以测 量 d-q 坐标系的旋转角; 反电势必须是正弦波的,这对电机制造及工艺提 出了较高的要求。 反电势必须是正弦波的,这对电机制造及工艺提.

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Παρουσίαση με θέμα: "PMSM 的问题 控制比直流伺服电机要复杂的多; 控制比直流伺服电机要复杂的多; 要想实现力矩控制,必须有角位置传感器,以测 量 d-q 坐标系的旋转角; 要想实现力矩控制,必须有角位置传感器,以测 量 d-q 坐标系的旋转角; 反电势必须是正弦波的,这对电机制造及工艺提 出了较高的要求。 反电势必须是正弦波的,这对电机制造及工艺提."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 PMSM 的问题 控制比直流伺服电机要复杂的多; 控制比直流伺服电机要复杂的多; 要想实现力矩控制,必须有角位置传感器,以测 量 d-q 坐标系的旋转角; 要想实现力矩控制,必须有角位置传感器,以测 量 d-q 坐标系的旋转角; 反电势必须是正弦波的,这对电机制造及工艺提 出了较高的要求。 反电势必须是正弦波的,这对电机制造及工艺提 出了较高的要求。 反电势必须是正弦波的才能产生正弦电流

2 3.3 无刷直流电动机 ( Brushless Direct Current Motor,BLDC ) 1 、无刷直流电动机结构 2 、无刷直流电动机工作原理 3 、无刷直流电动机电机特性 4 、 PWM 控制技术

3 1. 结构 由定子、转子、位置传感器及换相电路组成 定子采用叠片结构并在槽内铺设绕组的方式 定子绕组多采用三相并以星形方式连接

4 将永磁体贴装在非导磁材料表面或镶嵌在其内构成。 大部分 BLDC 采用表面安装方式。 多为 2 到 3 对极的。 磁性材料多采用具有高磁通密度的稀土材料,如銣 铁硼等

5 结构上 BLDC 与 PMSM 有些相似,但有两点不同: 结构上 BLDC 与 PMSM 有些相似,但有两点不同:  BLDC 的转子磁极经专门的磁路设计,可获得梯形波的气 隙磁场。而 PMSM 的气隙磁场是正弦波的。  BLDC 的定子绕组结构使之产生的反电势是梯形波的。而 PMSM 绕组结构产生正弦型的反电势。 PMSM 定子绕组产生正弦型的反电势 BLDC 的定子绕组产生的反电势是梯形波

6 附:电角度和机械角度 机械角度是指电机转子的旋转角度, 由 Θm 表示; 电角度是指磁场的旋转角度,由 Θe 表示。 当转子为一对极时, Θm=Θe ; 当转子为 n 对极时, Θe=nΘm 。

7 2. 工作原理 1 )旋转磁场的产生 假定电机定子为 3 相 6 极,星型连接。转子为一对极。 假定电机定子为 3 相 6 极,星型连接。转子为一对极。

8 电流方向不同时,产生的磁场方向不同。 若绕组的绕线方向一致,当电流从 A 相绕组流进, 从 B 相绕组流出时,电流在两个绕组中产生的磁动 势方向是不同的。

9 6 步通电顺序 三相绕组通电遵循如下规则: 每步三个绕组中一个绕组流入电流,一个绕组流出电流,一个 绕组不导通; 通电顺序如下: 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-

10 6 步通电顺序 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C- 每步磁场旋转 60 度,每 6 步旋转磁场旋转一周; 每步仅一个绕组被换相。

11 6 步通电顺序 随着磁场的旋转,吸引转子磁极随之旋转。 磁场顺时针旋转,电机顺时针旋转: 1→2→3→4→5→6 磁场逆时针旋转,电机顺时针旋转: 6→5→4→3→2→1 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-

12 2 )如何实现换相? 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C- 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C- 必须换相才能实现磁场的旋转,如果根据转子磁极的 位置换相,并在换相时满足定子磁势和转子磁势相互 垂直的条件,就能取得最大转矩。 必须换相才能实现磁场的旋转,如果根据转子磁极的 位置换相,并在换相时满足定子磁势和转子磁势相互 垂直的条件,就能取得最大转矩。 要想根据转子磁极的位置换相,换相时就必须知道转 子的位置,但并不需要连续的位置信息,只要知道换 相点的位置即可。 要想根据转子磁极的位置换相,换相时就必须知道转 子的位置,但并不需要连续的位置信息,只要知道换 相点的位置即可。 在 BLDC 中,一般采用 3 个开关型霍尔传感器测量转子 的位置。由其输出的 3 位二进制编码去控制逆变器中 6 个功率管的导通实现换相。 在 BLDC 中,一般采用 3 个开关型霍尔传感器测量转子 的位置。由其输出的 3 位二进制编码去控制逆变器中 6 个功率管的导通实现换相。

13 开关型霍尔传感器 霍尔元件 + 信号处理电路 = 霍尔传感器 利用霍尔效应,当施加的磁场达到 “ 动作点 ” 时, OC 门输出低电压,称这种状态为 “ 开 ”; 当施加磁场达到 “ 释放点 ” 使 OC 门输出高电压,称 其为 “ 关 ” 基于这个原理,可制成接近开关。

14 如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置,当 N 极逐渐靠近 霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时,其输出是导通状态; 当 N 极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时,其输出仍 然保持导通状态;只有磁场转变为 S 极并达到一定值时,其输出 才翻转为截止状态。 在 S-N 交替变化磁场下,传感器输出波形占高、低电平各占 50% 。 如果转子是一对极,则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的 电压波形,如果转子是两对极,则输出两个周期的电压波形。

15 直流无刷电机中一般安装 3 个霍尔传感器,间隔 120 度或 60 度按圆周分布。 如果间隔 120 度,则 3 个霍尔传感器的输出波形相差 120 度 电角度; 输出信号中高、低电平各占 180 度电角度。 如果规定输出信号高电平为 “1” ,低电平为 “0” ,则输出的三 个信号可用 3 位二进制编码表示。

16 如果间隔 60 度,则输出波形相差 60 度电角度。 如果间隔 60 度,则输出波形相差 60 度电角度。 间隔 120 度与 60 度的二进制编码是不同的。 间隔 120 度与 60 度的二进制编码是不同的。

17 例:假定定子绕组为 3 相,转子为 2 对极, 3 个霍尔传感器间 隔 60 度按圆周分布,由 6 只晶体管组成的桥式电路给电机供 电,分析其换相过程。 从霍尔传感器输出 的二进制编码控制 6 个功率管的导通, 可由逻辑电路实现, 也可由软件编程实 现 。 1.A+C- 2.A+B- 3.C+ B- 4.C+A- 5.B+A- 6. B+C-

18 1.A+B- 2.A+C- 3. B+C- 4. B+A- 5.C+ A- 6.C+B- 每相绕组中电流是正负交替的 由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流

19 直流有刷电机绕组中的电流实际上也是正负交替 的 ,只是从电刷外部看电流是单方向的。 直流有刷电机通过换向机构换向,直流无刷电机 通过霍尔开关及逆变器换相。

20 3 )如何实现力矩的控制? 按照电机统一规律,必须保证 θs-θr 为 90 度,才能取得最大转矩。 因旋转磁场是 60 度增量,看来无法实现这个关系。 但通过适当的安排可实现平均 90 度的关系。 如果每一步都使离转子磁极 120 度的定子磁势所对应的绕组导通, 并且当转子转过 60 度后换相,如此重复每一步,则可使定子磁势 与转子磁势相差 度,平均 90 度。

21 BLDC 电机 每一个定子绕组回路与 DC 电机 电枢回路是类似的。 但其电压和电流都是在每半个电 周期中仅导通 120 度。 电机制作时保证其绕组内反电势 为梯形波,但平顶部分与电压和 电流同时出现,其极性也与电压 和电流一致。 从功率平衡的角度考虑 Tω=EaIa+EbIb+EcIc 又因为 E=Keω, 且在所有的时间 都有两相绕组流过相同电流, T=2KeIa 可见,力矩与定子绕组电流成正 比,改变电流即改变力矩。

22 力矩的波动 换相转矩脉动:每次换向时,由于绕组电感的作用电流不 能突变,电流的过渡过 程 产生力矩波动。 由于转矩存在波动,限制了它在高精度的速度、位置控制 系统中的应用。

23 4 )如何实现速度的控制? 改变定子绕组电压的幅值即能改变电机速 度。 改变定子绕组电压的幅值即能改变电机速 度。

24 3 、电机特性 在 BLDC 电机中,力矩正比于电流,速度正 比于电压,反电势正比于电机转速,因此 其控制特性与机械特性均与直流电机基本 相同。 在 BLDC 电机中,力矩正比于电流,速度正 比于电压,反电势正比于电机转速,因此 其控制特性与机械特性均与直流电机基本 相同。

25 BLDC 电机的机械特性曲线 在连续工作区,电机可被加载直至额定转矩 Tr. 在电机起停阶段,需要额外的力矩克服负载惯性。这时可 使其短时工作在短时工作区,只要其不超过电机峰值力矩 Tp 且在特性曲线之内即可。

26 4 、 PWM 控制技术 为了使 BLDC 电机速度可变,必须在绕组的两端 加可变电压。 为了使 BLDC 电机速度可变,必须在绕组的两端 加可变电压。 利用 PWM 控制技术,通过控制 PWM 信号的不同 占空比,则绕组上平均电压可以被控制,从而控 制电机转速。 利用 PWM 控制技术,通过控制 PWM 信号的不同 占空比,则绕组上平均电压可以被控制,从而控 制电机转速。 在控制系统中采用 DSP 或单片机时,可利用器件 中的 PWM 产生模块产生 PWM 波形。 在控制系统中采用 DSP 或单片机时,可利用器件 中的 PWM 产生模块产生 PWM 波形。 根据转速要求设定占空比,然后输出 6 路 PWM 信 号,加到 6 个功率管上。 根据转速要求设定占空比,然后输出 6 路 PWM 信 号,加到 6 个功率管上。 以 dsPIC30F2010 单片机为例: 以 dsPIC30F2010 单片机为例:

27 dsPIC30F2010 的 PWM 模块

28 当下桥臂的功率管由导通到关断时,上桥臂的功 率管延时一段时间再由关断到导通,以防止桥臂 直通。 这个延时时间称为 ” 死区 ” 。 死区可通过编程改变。

29 MCPWM 的 PWM 时基模块中有一个专用的 16 位 PTMR 计数 器和一个 PTPER 数字寄存器, PTMR 对定时时钟计数, PTPER 中置入的数字确定了 PWM 信号的周期。 PTMR 计数 器启动计数后,其计数值与 PTPER 中置入的数字值比较, 两者一致时,就输出一个周期的 PWM 信号。改变 PTPER 的值,就可以方便的改变计数的周期,这样就可以改变 PWM 波形的频率。 MCPWM 的 PWM 时基模块中有一个专用的 16 位 PTMR 计数 器和一个 PTPER 数字寄存器, PTMR 对定时时钟计数, PTPER 中置入的数字确定了 PWM 信号的周期。 PTMR 计数 器启动计数后,其计数值与 PTPER 中置入的数字值比较, 两者一致时,就输出一个周期的 PWM 信号。改变 PTPER 的值,就可以方便的改变计数的周期,这样就可以改变 PWM 波形的频率。 PWM 发生器 # 中 PDC 数字寄存器中置入的数字确定了 PWM 信号的占空比。比较器将设定的比较值 PDC*: 与 PTMR 计数值相比较,产生 PWM 波形的跳变。只要实时改 变比较器的值,就可以改变单位周期内高电平或者低电平 的脉冲宽度,产生占空比可调的 PWM 波形。 PWM 发生器 # 中 PDC 数字寄存器中置入的数字确定了 PWM 信号的占空比。比较器将设定的比较值 PDC*: 与 PTMR 计数值相比较,产生 PWM 波形的跳变。只要实时改 变比较器的值,就可以改变单位周期内高电平或者低电平 的脉冲宽度,产生占空比可调的 PWM 波形。 通过占空比比较产生的三个输出将被分别传输给死区置入 及输出寄存器,可以在高电平变低与低电平变高之间插入 一段死区。以防止输出驱动器发生意外的直通现象。 通过占空比比较产生的三个输出将被分别传输给死区置入 及输出寄存器,可以在高电平变低与低电平变高之间插入 一段死区。以防止输出驱动器发生意外的直通现象。 特殊函数寄存器 OVDCOND 中的各位 直接控制 6 个 PWM 输 出通道。当位为 1 时,已建立的占空比信号出现在该位所 对应的输出通道上,当位为 0 时,其输出被禁止。 特殊函数寄存器 OVDCOND 中的各位 直接控制 6 个 PWM 输 出通道。当位为 1 时,已建立的占空比信号出现在该位所 对应的输出通道上,当位为 0 时,其输出被禁止。

30 OVDCOND 寄存器的值由霍尔传感器输出的二进制编码绕 组通电顺序决定。 OVDCOND 寄存器的值由霍尔传感器输出的二进制编码绕 组通电顺序决定。 A+C- A+B- C+B- C+A- B+A- B+C-

31 例 1 由单片机控制的 BLDC 系统:

32 例 2 单片三相无刷直流电动机控制器 SI9979

33 SI9979 特点 霍尔传感器输入信号处理, 60 及 120 度间隔 选择,提供霍尔传感器电源。 霍尔传感器输入信号处理, 60 及 120 度间隔 选择,提供霍尔传感器电源。 自动换相功能 自动换相功能 集成逆变器高端驱动 集成逆变器高端驱动 PWM 输入及处理 PWM 输入及处理 电流限制,欠电压保护 电流限制,欠电压保护 20 到 40 电源电压 20 到 40 电源电压

34 例 3: 由 DSP 控制的 BLDC 系统

35 BLDC 的特点 与 DC 电机比较:由于没有电刷的机械摩擦, 使其具有高可靠性、高效率、免维护、无 噪声、高速度范围、容易散热等优点。 与 DC 电机比较:由于没有电刷的机械摩擦, 使其具有高可靠性、高效率、免维护、无 噪声、高速度范围、容易散热等优点。 与 ASMS 电机比较:控制简单,成本低。 与 ASMS 电机比较:控制简单,成本低。 力矩波动比 DC 电机及 ASMS 电机大。 力矩波动比 DC 电机及 ASMS 电机大。 适应于对制造成本较敏感,而对性能要求 不是特别高的场合。 适应于对制造成本较敏感,而对性能要求 不是特别高的场合。

36 思考题 1. 说明 BLDC 的旋转磁场是如何产生的 2. 与直流伺服电机和交流永磁伺服电机比较, 直流无刷伺服电机有什么特点?


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