无刷直流电机控制系统的设计.doc
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1、1 引言无刷直流电机最本质特征是没有机械换向器与电刷所构成机械接触式换向机构。现在,无刷直流电机定义有俩种:一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机,而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机与正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体,带转子位置信号,通过电子换相控制自同步旋转电机”,其换相电路可以是独立或集成于电机本体上。本次设计采用第一种定义,把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始,由于人们生活水平不断提高与现代化生产、办公自动化发展,家用电器、工业机器人等设备都
2、向着高效率化、小型化及高智能化发展,电机作为设备重要组成部分,必须具有精度高、速度快、效率高等优点,因此无刷直流电机应用也发展迅速1。1.1 无刷直流电机发展概况无刷直流电动机是由有刷直流电动机基础上发展过来。19世纪40年代,第一台直流电动机研制成功,经过70多年不断发展,直流电机进入成熟阶段,并且运用广泛。1955年,美国D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机机械电刷专利,形成了现代无刷直流电动机雏形。在20世纪60年代初,霍尔元件等位置传感器与电子换向线路发现,标志着真正无刷直流电机出现。20世纪70年代初,德国人Blaschke提出矢量控制理论,无刷直流电机性能控
3、制水平得到进一步提高,极大地推动了电机在高性能领域应用。1987年,在北京举办德国金属加工设备展览会上,西门子与博世两公司展出了永磁自同步伺服系统与驱动器,引起了我国有关学者注意,自此我国开始了研制与开发电机控制系统与驱动热潮。目前,我国无刷直流电机系列产品越来越多,形成了生产规模。无刷直流电动机发展主要取决于电子电力技术发展,无刷直流电机发展初期,由于大功率开关器件发展处于初级阶段,性能差,价格贵,而且受永磁材料与驱动控制技术约束,这让无刷直流电动机问世以后很长一段时间内,都停留在实验阶段,无法推广到实际中使用,1970年以后,半导体快速发展,许多新型全控型半导体功率器件(如MOSFET、I
4、GBT等)不断出现,而且高性能永磁材料(如SmCo、NsFeB)陆续出现2,这些都为无刷直流电机广泛应用提供了有利条件。由于无刷直流电机广泛使用,无刷直流电机理论也不断得到修改完善。1986年,H.R.Bolton对无刷直流电机作了系统总结,这样标志着无刷直流电机在理论上走向成熟。1.2 无刷直流电机1.2.1 无刷直流电机结构 无刷直流电机主要由用永磁材料制造转子、带有线圈绕组定子与位置传感器组成。它与有刷直流电机有着很多共同点,定子与转子结构相似(原来定子变为转子,转子变为定子),绕组接线一样3。然而,结构上有明显区别:无刷直流电机没有有刷直流电机中换向器与电刷,取而代之是位置传感器。这样
5、,电机结构简单,减少了电机制造与维护成本,但无刷直流电机不会自动换相,这使电机控制器成本提高。 图1.1 无刷直流电机模型图所示为小功率三相、星形连接无刷直流电机,定子在内,转子在外,结构及直流电机很相似。另一种无刷直流电机结构刚好相反,转子在内,定子在外。1.2.2 无刷直流电机工作原理无刷直流电机定子是线圈绕组,转子是永磁体。检测电机转子位置,根据转子位置给电机相应线圈通电,使定子产生方向均匀变化旋转磁场,转子才可以跟着磁场转动起来。 如图1.2 无刷直流电机转动原理如图所示为无刷直流电机转动原理示意图,定子线圈一端接电源,其余三相接功率管,位置传感器导通时功率管G极接+12V,功率管导通
6、,对应相线圈通电。三个位置传感器随转子转动,依次导通,对应线圈也依次通电,从而定子产生磁场不断地变化,电机转子也转动起来,这就是无刷直流电机转动原理。1.2.3 无刷直流电机磁路结构与定子绕组磁路是指磁通能通过路径,无刷直流电机中,转子上安装永磁体,作为磁极,电机转子磁极多是4个或6个永磁体。转子数目增加,相应定子绕组也增加,但不需要增加驱动电路数目。主磁场一般由转子永磁体产生,从S极回到N极而闭合。绕组是指按照一定规律连接起来一组线圈总体。绕组导电以后,与转子产生磁场相互作用,产生力或力矩,将电能转换成机械能,故又将定子绕组称为电枢绕组。1.3 无刷直流电机应用近年来,我国中小型电机与微特电
7、机行业发展迅速,是由于其本身具有高效率、寿命长、低噪音与较好转矩-转速特性优点。特别在汽车、航空、家用电器等行业中发展较好15。车用无刷直流电机:电机可以作为驱动核心部件,而且还可以用在汽车空调、雨刮器、电动车门、安全气囊、电动座椅等驱动上。航空航天用无刷直流电机:利用电机驱动设备代替气动与液压传动装置已成为航空航天发展中一种趋势。航空航天电机由于其应用场合特殊性,一般要求所用电机体积小,结构简单。无刷直流电机在家用电机中应用:家用电气电子驱动电机每年约30%增幅发展,现代电器朝着节能、低噪音、智能化与高可靠性方向发展。空调与冰箱中都有压缩机电机,传统压缩机一般是异步电机,其效率与功率因数较低
8、,采用变频技术以后,情况有所改善。VCD、DVD、CD机等家用电器主轴驱动电机也使用无刷直流电机,这类电机一般采用盘式无铁心电机结构,现已经大规模生产,价格便宜。无刷直流电机不仅能克服传统家用电机部分缺点,给人们居家生活带来更高舒适性,还能降低能源耗损,更好实现能源可持续利用。无刷直流电机在办公自动化中应用:计算机外设与办公自动化设备用电机,绝大部分为先进制造技术与新兴微电子技术相结合高档精密无刷直流电机,是技术密集化产品。这种高性能无刷直流电机伺服控制系统采用能大大改善产品质量,提高产品价值。无刷直流电机在数码相机上也得到广泛应用,如日本TOSHIBA与SANYO公司已生产出无刷直流电机驱动
9、相机。无刷直流电机驱动激光打印机产品也已经有了较长历史,它转速可以在每分钟几千到几万转范围内精确控制,具有很好技术与市场竞争力。另外,无刷直流电机在计算机、录音机与CD影碟机等设备产品中也有很好应用7 10。1.4 无刷直流电机发展趋势 新电子技术、新器件、新材料及新控制方法出现将进一步推动无刷直流电机发展与应用11 14。 (1) 电子电力及微处理器技术对无刷直流电机发展影响 这使电机向小型化及集成化、控制器全数字化、绿色PWM控制及其高效化发展。 (2) 永磁材料对无刷直流电机发展影响 电机小型化、轻量化及高效化及磁性材料发展息息相关。每当出现新永磁材料,就会使电机结构与功能出现新变革,促
10、进电机设计理论、计算方法与结构工艺研制水平提高到一个新台阶。 (3) 新型无刷直流电机开发 在无刷直流电机控制系统中,速度与转矩波动一直是需要进一步解决问题,尤其是用于视听设备、航空电气、计算机中无刷直流电机,更要求其具有运行平稳、精度高、噪声小等特点。总之从结构上研究与开发新型电机必然是今后无刷直流电机发展方向之一。 (4) 先进控制策略应用 现代工业中对电机性能要求越来越高,无刷直流电机性能改善可以通过电机本体优化设计及电力电子装置控制来实现,也可以利用各种先进控制策略来实现。全面实现无刷直流电机控制系统朝微型化、轻量化、高智能化与节能化方向发展。 本设计课题任务与内容 (1) 学习无刷直
11、流电机基本原理、磁路结构、定子绕组特点与设计计算方法。(2) 研究与讨论典型三相无刷直流电机运行控制方式与检测方法及仿真。(3) 设计输出功率小于100W三相无刷直流电机控制与检测系统。(a) 无刷直流电机三相半控电路。(b) 无刷直流电机三相Y型连接全控电路。(c) 无刷直流电机三相型连接全控电路。 (4) 采用专用集成电路实现三相无刷直流电机换相、正反转与PWM转速控制。 (5) 采用Protel 99SE绘出几种运行控制方式与检测方法电气原理图。 (6) 绘出专用集成电路控制方式PCB图与三维仿真图。(7) 三相无刷直流电机几种运行控制方式与检测方法讨论。1.6 本章总结本章介绍了无刷直
12、流电机发展、结构、工作原理、应用及发展趋势,最后明确了本课题设计任务与内容。2 无刷直流电机控制系统设计方案2.1 无刷直流电机控制系统设计 专用芯片控制无刷直流电机控制系统主要由硬件部分组成。硬件部分由电源路、驱动电路、微处理器控制电路及保护电路等组成。如图2.1有位置传感器无刷直流电机硬件系统框图,现对无刷直流电动机各部分基本结构说明如下。图2.1 有位置传感器无刷直流电机硬件系统框图(1) 电源路电源路主要由直流电源组成。(2) 驱动电路当前,无刷直流电动机驱动桥一般运用6个IGBT或MOSFET等器件构成全控桥,或者用3个IGBT或MOSFET等器件构成半控桥,为了提高驱动桥可靠性可以
13、使用集成功率模块与智能功率模块。IR2110芯片主要有三个功能:逻辑输入;电平平移及输出保护。IR2110特点,可以为装置设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源设计,可以大大减少驱动电源数目,即一组电源即可实现对上下端控制。为了避免隔上臂短路,在电路中加入离二极管与自举电容。(3) 位置检测器位置检测器是检测转子磁极相对及定子绕组位置信号,为驱动桥提供换相信号。位置检测包括有位置传感器与无位置传感器检测两种方式。转子位置传感器由定子与转子两部分组成,转子及电机本体同轴,跟踪电机本体转子磁极位置;定子固定在电机本体定子或端盖上,检测与输出转子位置信号。霍尔元件按功能分可分来线性霍尔元件与开关霍
14、尔元件。前者输出模拟量,后来输出数字量。线性霍尔元件精度高、线性度好,温度范围宽;开关霍尔元件无触点、无磨损、输出小形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高、温度范围宽。(4) MC33035专用芯片MC33035专用芯片是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能指挥中心,它主要完成以下功能:(a)可控制电机正反转;(b)实现电机刹车制动;(c)启停功能;(d)可选择三相无刷直流电机传感器相位差60或120; (e)欠压封锁保护,IC过热保护与故障输出。(5)保护电路 由于在电机启动时,转速比较低,反电动势很小,启动电流大,对电机损害较大,必须要设计保护电路,避免设备短路、过载及防治电缆线路
15、短路。2.2 无刷直流电动机控制系统设计方案比较无刷直流电动机调整与起动性能好以及结构简单无需定期修护特点,因此在可靠性高电机调速中得到了广泛认可。在电机转速控制方面,数字调速系统已取代模拟调速系统。当前,数字调速系统主要运用两种控制方案:一种是以单片机为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制,应用广范,且方便灵活。另一种采用专用集成电路。这种方案可以降低成本,提高可靠性,但在灵活方面不是很理想。电机控制器是无刷直流电机实现各种伺服功能指挥核心,它主要功能有以下几种:对输入信号进行处理,给驱动电路提供相应控制信号,实现电机正反转、PWM调速、欠压保护与过载保护等。控制器专用芯片是电动车驱动
16、系统,它是电动车核心。其主要作用是保证电动车正常工作,提高电机与蓄电池效率、节省能源、保护电机及蓄电池与减少电动车在受到损伤。目前,市场上常用电动车无刷直流电机控制系统主要采用专用集成电路为主控系统,如MOTOLORA公司研制专用集成电路MC33035,该类控制器称为模拟式控制器,其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换相,根据电机内位置传感器信号,决定换相顺序与时间,从而决定电机转向与转速。该控制系统缺点是智能性不高,保护措施一般,系统升级空间不大。本设计将采用MC33035作为主控芯片。MC33035为直流无刷电机驱动专用芯片,具有使用方便、价格便宜、抗干扰性强等特点,同时也具有不
17、够灵活、功能实现困难等问题,在应用上有一定限制性需要通过增加附加电路,可改善控制功能与扩展应用。无刷直流电机控制方法主要是有位置与无位置控制两种控制方式。有位置控制方式中,由于霍尔传感器价格便宜,安装方便,作为主要无刷直流电机位置传感器。目前,国内外对无刷直流电机无位置控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法等。但是由于无位置控制方法在低速转动时不可以实现精确速度调控,所以现阶段在电动车领域只是处于实验阶段,不能推广到实用中。绕组不同组合会产生不同性能与成本。以下三个指标有利于我们做出选择:(1)绕组利用率。不同于普通直流电动机,无刷直流电动机各相绕组是间断通电。增加通电导体数,电阻下降,效率提
18、高可以提高绕组利用率。三相绕组优于四相与五相绕组。 (2)转矩脉动。无刷直流电动机输出转矩脉动大于普通直流电动机。相数越多,转矩脉动越小。桥式主电路比非桥式主电路转矩脉动小。(3)电路成本。相数越多,驱动桥使用开关管越多,成本就高。桥式全控主电路所用开关管比桥式半控多一倍,成本高;多相电动机驱动桥复杂,成本高。所以,三角形,星形连接三相桥式主电路。2.3 本章总结本章介绍了本方案主要采用MC33035专用芯片,霍尔元件,IR2110驱动芯片,场效应管(MOSFET),三相绕组型与Y型接法,相应保护电路等来实现本设计任务要求。硬件设计系统方案框图如图2.1。3 无刷直流电动机控制系统硬件设计3.
19、1 专用芯片介绍MC33035是MOTOROLA公司第2代无刷直流电机控制专用芯片,内含转子位置传感器译码电路,温度补偿内部电压基准源,误差放大器,频率可调锯齿波振荡器,PWM比较器,芯片欠压,输出驱动电路,过热保护电路及限流电路。典型功能包括PWM调速,起动,停止控制,正反转控制与能耗制动控制,广泛应用于两相、三相及多相无刷直流电机驱动控制。MC33035工作电源电压范围很宽,在10V-30V之间,芯片内含有基准电压6.25V。MC33035内部转子位置译码器主要用于监控三个传感器输入,以便系统能够正确提供高端与低端驱动输入正确时序。传感器输入可直接及集电极开路型霍尔效应开关相连接。用MC3
20、3035系列产品控制三相电机可在最常见四种传感器相位下工作。MC33035提供60/120选择可使MC33035很方便地控制拥有有60、120、240或300传感器相位电机。这三个传感器输入有八种编码组合,当中六种是有效编码组合,还有两种编码组合无效,通过有效输入编码可使译码器在使用60度电气相位窗口中识别出电机转子当前位置。MC33035无刷直流电机控制器正向/反向输出可通过改变定子绕组上电流方向来改变电机转向。当输入状态改变时,相应传感器输入编码会由高电平转变为低电平,从而改变整流时序,来使电机旋转方向改变。电机转动/停止可由输出使能来控制,当该管脚开路时,连接到正电源内置上拉电阻将会启动
21、顶部与底部驱动输出时序。而当该脚接地时,顶端驱动输出将关闭,并将底部驱动强制为低,从而使电动机停止。MC33035中振荡器、脉冲宽度调制、误差放大器、电流限制电路、欠压锁定电路、片内电压参考、驱动输出电路与热关断电路工作原理与操作方法及其它同类芯片基本相似。3.1.1 MC33035组成,脚管及应用1 MC33035组成(1)转子位置译码器;(2)限流保护电路;(3)温度补偿;(4)电阻、电容锯齿波振荡电路;(5)脉宽调制比较器;(6)误差放大器;(7)输出驱动电路;(8)欠压、过载保护与故障电平输出。 2 MC33035脚管功能说明:图 3.1 MC33035表3.1 MC33035各引脚说
22、明引脚号引脚名称功能说明1,2,24BT,AT,CT三个集电极开路顶端驱动输出,驱动外部上端功率开关晶体管正向/反向输入,改变电机转向。4,5,6SA,SB,SC 三个传感器输入,控制整流序列。7 OoutputEnable 输出使能,高电平有效。8Reference Output 此输出为振荡器定时电容提供充电电流,并为误差放大器提供参考电压,还向传感器提供电源。9Current Sense Noninverting Input 电流检测同向输入。10Oscillator 振荡器引脚,振荡频率由定时元件R与C 所选择参数值决定。11ErrorAmp Noninverting Input 误差
23、信号放大器同向输入。通常连接到速度设置电位器上12ErrorAmp Noninverting Input误差信号放大器反向输入。13 ErrorAmp Out/PWMInput 误差放大器输出/PWM 输入。14Fault Output 故障输出端。15Current Sense Inverting Input 电流检测反向输入端。16Gnd 该管脚用于为控制电路提供一个分离接地点,并可以作为参考返回到电源地。17 Vcc正电源。Vcc在10V30V 范围内,控制器均可正常工作。18Vc 底部驱动输出高端电压是由该管脚提供,它工作范围从10V30V。19,20,21CB,BB,AB 这三个图腾
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