無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制
(一)電子換向電路
一般來(lái)說(shuō)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換向電路可分為3個(gè)
功能部分，見(jiàn)圖2-5-7。
(1)位置傳感器電路。此電路向位置傳感器提供激勵(lì)，并將傳感器輸出信號(hào)檢出、放大、整形為方波信號(hào)。
(2)控制信號(hào)處理電路。此電路將位置傳感器信號(hào)由邏輯電路進(jìn)行處理并接收外界的啟停、調(diào)速和正、反轉(zhuǎn)等指令信號(hào)，獲得對(duì)各相繞組正確導(dǎo)通順序和有合適導(dǎo)通角的邏輯信號(hào)。
(3)功率放大電路。功率放大電路將上述邏輯信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率級(jí)開(kāi)關(guān)適時(shí)接通或斷開(kāi)，它還包括續(xù)流回路和保護(hù)回路。晶體管典型的工作方式是開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，某些小功率無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中的功率級(jí)晶體管處于線性放大工作狀態(tài)。
圖2—5—8是一個(gè)三相非橋式電子換向控制電路。
它采用電磁式位置傳感器，利用晶體管的LC三點(diǎn)式振蕩電路產(chǎn)生約300kHz的正弦波。其中利用r位置傳感器原方電感線圈。此振蕩正弦波電流從傳感器原方輸入，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器副方h、i、J繞組上產(chǎn)生被轉(zhuǎn)子位置調(diào)制過(guò)的高頻輸出信號(hào)。在傳感器信號(hào)處理電路中，它們被二極管檢波、解調(diào)并經(jīng)晶體管放大后，得到h、iJ方渡信號(hào)。這3個(gè)信號(hào)再經(jīng)后續(xù)處理得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)SA、SB sC。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)
由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)必須帶有電子換向電路，從而對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟�？刂�，正、反轉(zhuǎn)控制，制動(dòng)控制，功率控制，只需小功率邏輯電平控制即可實(shí)現(xiàn)。這樣，微型計(jì)算機(jī)、可編程序控制器或其他數(shù)控系統(tǒng)都很容易與無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)接口。
(二)啟�？刂�
有刷直流電動(dòng)機(jī)啟停控制是通過(guò)主電源接通或斷開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通常是用有觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)來(lái)完成。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也可采用這個(gè)方法。此外，還可以采用下列的方法：
(1)用位置傳感器原方信號(hào)的通斷來(lái)控制。例如：控制電磁式傳感器原方振蕩信號(hào)的有與無(wú)。
(2)在控制信號(hào)處理電路中用一邏輯信號(hào)控制位置傳感器的選通來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2—5—8中，以信號(hào)R=1為啟動(dòng)，R—O為停機(jī)。
(=)正反轉(zhuǎn)控制
永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)運(yùn)行是由改變電樞兩端與電源的極性聯(lián)接(反接)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換向電路不允許反接到電源上，故反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)要采用別的方法，例如：
(1)每相繞組兩端頭互換。這可采用雙擲開(kāi)關(guān)或接觸器觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
(2)用霍爾元件作位置傳感器的，可將每片霍爾元件一對(duì)電流端或電勢(shì)端兩端互換。
(3)采用正反轉(zhuǎn)兩套位置傳感器。
(4)邏輯門(mén)選通方法。即電動(dòng)機(jī)傳感器設(shè)計(jì)上有專(zhuān)門(mén)的考慮，在控制電路中用一邏輯信號(hào)(代表正反轉(zhuǎn)狀態(tài))的指令來(lái)改變電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通順序。例如，如圖2-5-8中電磁式傳感器的轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁片設(shè)計(jì)為180°，使傳感器輸出信號(hào)h、i、j的占空比為1：1，正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)為w，圖中信號(hào)處理
符合下列布爾代數(shù)式：
當(dāng)W=1時(shí)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)，w一0時(shí)為反轉(zhuǎn)，如圖2 -5 -9所示。
(四)制動(dòng)控制
若需要電機(jī)立即停轉(zhuǎn)，可采用制動(dòng)控制。當(dāng)主功率開(kāi)關(guān)晶體管在停機(jī)信號(hào)控制下進(jìn)入截止工作狀態(tài)后，適時(shí)引入能耗回路。使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，各相繞組的再生電流產(chǎn)生制動(dòng)力矩，加快了制動(dòng)過(guò)程。
圖2—5—10是非橋式三相換向電路，它引入3個(gè)二極管D1、D2、D3，電阻器R和開(kāi)關(guān)S組成制動(dòng)回路。在停機(jī)信號(hào)作用下，主開(kāi)關(guān)晶體管截止，然后制動(dòng)控制信號(hào)將開(kāi)關(guān)S閉合，各相繞組產(chǎn)生
制動(dòng)電流。當(dāng)電動(dòng)機(jī)完全停轉(zhuǎn)后，制動(dòng)控制信號(hào)結(jié)束，使開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，切斷制動(dòng)回路。
同樣一對(duì)于橋式換l口J電路，也可以設(shè)計(jì)類(lèi)似的制動(dòng)控制回路。這里的開(kāi)關(guān)s，可以用一功率晶體管來(lái)代替，而且也可以將晶體管接成恒流工作方式，實(shí)現(xiàn)恒流能耗制動(dòng)。
(五)功率控制
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在調(diào)速控制或穩(wěn)速控制時(shí)都需要對(duì)輸入功率，即輸入電壓和電流進(jìn)行控制。一種方法是將換向回路看作一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，串接一功率晶體管(調(diào)整管)到直流電源，以調(diào)整供給換向電路的電壓(電流)。這個(gè)串接的調(diào)整晶體管可以工作于線性放大區(qū)，也可以是脈寬調(diào)制(PWM)_[作方式的。
更常用的方法是直接利用換同功率晶體管。同樣，它們也可以工作于線性放大狀態(tài)或脈寬調(diào)制工作狀態(tài)(或脈沖頻率調(diào)制工作狀態(tài))。
線性工作狀態(tài)比較簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)，常用于20W以下和有限調(diào)整范圍的情況。而脈寬調(diào)制，又稱(chēng)斬波控制方式則適用于較大功率的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的功率控制。而且有較高的效率。圖2—5 8的脈寬調(diào)制信號(hào)從D點(diǎn)引入，就是這樣一個(gè)例子。
(六)轉(zhuǎn)速的檢出和控制
與有刷直流電動(dòng)機(jī)控制相似，除了開(kāi)環(huán)速度調(diào)節(jié)外，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制可分為兩種典型方案：
(1)模擬量轉(zhuǎn)速控制方法。利用同軸安裝直流測(cè)速發(fā)電機(jī)(通常是用無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī))作為轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋，與給定轉(zhuǎn)速指令電壓進(jìn)行比較，其差值放大后控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。精密的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)速度精度可達(dá)0.1％。對(duì)于小功率、要求較低成本，調(diào)整范圍小于1：10的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，則可免去外加測(cè)速發(fā)電機(jī)，直接利用各相繞組不工作期間(該相功率晶體管截止時(shí))的反電勢(shì)經(jīng)二極管整流后獲得反映電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓信號(hào)，作測(cè)速電壓信號(hào)，圖2 5 11就是一個(gè)例子。
圖2—5—11所示的是多極性工作的霍爾無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。兩個(gè)霍爾元件作位置傳感器，其輸出信號(hào)經(jīng)比較器電路得到方波位置信號(hào)，由邏輯電路處理得到驅(qū)動(dòng)4個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的信號(hào)，使每個(gè)繞組各導(dǎo)通90°工作。速度檢測(cè)是由連接到電動(dòng)機(jī)繞組的4個(gè)二極管的檢波作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于每相繞組只
有l(wèi)／4周期工作，其余時(shí)間換向晶體管截止。四繞組不工作期間的反電勢(shì)經(jīng)
二極管檢波后可以得到反映電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的電勢(shì)EC用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除交流分量．其直流分量(EC-VS)，正比于轉(zhuǎn)速n．一無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的這個(gè)測(cè)速信號(hào)是從相繞組不[作期間的反電勢(shì)得到的，所以不必像有刪直流Fb機(jī)的橋式測(cè)速回路那樣要對(duì)LR壓降進(jìn)行補(bǔ)償。這個(gè)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)與預(yù)置速度信號(hào)
比較，送入PI塞度詞節(jié)器，在直流電源輸人線上串柏測(cè)定電流的電阻，電流反饋信號(hào)與速度調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行比較后，在電流調(diào)節(jié)器形成變頻率、變占空比的斬波控制信號(hào)，對(duì)串接的Ts調(diào)整晶體管進(jìn)行斬波控制。，
續(xù)流二極管D和串聯(lián)電感器L，的作用是在被斬波的開(kāi)關(guān)功率G管開(kāi)期間內(nèi)，保持電動(dòng)機(jī)繞組電流的連續(xù)性。
(2)鎖頻鎖機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法。鎖相轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是將鎖相環(huán)技術(shù)(PLL)引入速度控制，形成一種高精度數(shù)字速度控制系統(tǒng)。其基本框圖見(jiàn)圖2 5 12。
鎖相轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由速度給定、頻相比較器、校正環(huán)節(jié)、功率放大器、電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)速編碼器等組成。其特征是速度反饋和給定都是脈沖量，即以其頻率數(shù)代表 定的轉(zhuǎn)速。當(dāng)系統(tǒng)鎖定后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(對(duì)應(yīng)于頻率，f1和給定轉(zhuǎn)速(對(duì)應(yīng)于頻率fr)保持相等，而lJ兩者之相位差只在小范圍內(nèi)變化，系統(tǒng)就是依靠此相差的微小變化來(lái)達(dá)到劃外界干擾量的平衡，維持，嚴(yán)格的鎖頻鎖相狀態(tài)。如果參考速度給定頻率采用高精度石英品體振蕩器為頻率源時(shí)，系統(tǒng)可以得到高精度轉(zhuǎn)速而且其速度穩(wěn)定精度可達(dá)到0．002％
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)鎖相速度控制系統(tǒng)同樣可采用如圖2 5 12所示的系統(tǒng)。，由于換向電路本身就是功率放大器，因此較為方便。末級(jí)大多工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，宦采用PwM工作方式。這種系統(tǒng)通常是數(shù)字模擬混合式的。對(duì)于小功率或?qū)λ俣鹊乃矔r(shí)穩(wěn)定度要求較低的系統(tǒng)可以采用下面的簡(jiǎn)化方案：
(1)直接利用頻相比較器輸出相位差調(diào)制末級(jí)換向晶體管。
(2)轉(zhuǎn)速信號(hào)直接從位置傳感器獲得，免去在電動(dòng)機(jī)同軸上安裝昂貴的光電增量編碼器。以三相非橋式換向電路為例，轉(zhuǎn)速信號(hào)u可以從位置傳感器信號(hào)z、y、z經(jīng)下式邏輯處理得到：
U=x·y+y·z+z·z
隨著無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在錄像機(jī)、磁盤(pán)機(jī)、復(fù)印機(jī)等產(chǎn)品中的應(yīng)用，其專(zhuān)用集成電路已有許多廠商制作。采用專(zhuān)用集成電路控制是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的方向。
(七)無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制
在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，如條件極其惡劣或要求高可靠性的場(chǎng)合不宜采用位置傳感器，可采用此種控制技術(shù)。這種方法的思路是，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從各相繞組感應(yīng)電勢(shì)波形的特殊點(diǎn)檢測(cè)出作為反映轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)，代替位置傳感器，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的正常電子換向。顯然，在零速和低速區(qū)，
感應(yīng)電壓或者為零或者很小，不可能形成位置信號(hào)。因此，必須用其他方法使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。******也是典型的方法是將它作步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低速啟動(dòng)，當(dāng)升速到一定速度后，自動(dòng)切換到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)。這種控制方法既可以用數(shù)字電路來(lái)完成，也可以用微處理器控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，這對(duì)于同時(shí)控制多臺(tái)
元刷電動(dòng)機(jī)更為合理。
這種控制方法，電動(dòng)機(jī)的“簡(jiǎn)化”(只有電動(dòng)機(jī)本體)是以增加控制電路的復(fù)雜性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)性能上說(shuō)不一定合算，故只適用于特殊需要的場(chǎng)合。
|
