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免费毕业论文-动车无刷直流电动机控制设计(5)

2013-05-07 18:16 (b)逆变电路
 (3)转子位置传感器
 转子位置传感器是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置，向控制器提供位置信号的一种装置。它由定、转子组成，其转子与电动机同轴，以跟踪电机本体转子位置；其定子固定于电机本体定子或端盖，以感应和输出转子位置信号。
2.1.2电机的基本工作原理
 一般永磁直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电动机气隙中产生磁场，其转子一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动机的运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永久磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构正好相反，而且还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同组成换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中由定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场，在空间中始终保持在90。左右的电角度，从而产生转矩推动转子旋转.无刷 直 流 电动机按驱动方式可以分为半桥驱动和全桥驱动，按绕组接法又可分为星形连接和角形连接。不同的绕组接法和驱动方式的选择将会使电动机产生不同的性能并且成本也不同，主要从以下三个方面来进行分析:
 (1) 绕组利用率
 开关电路由逆变器和驱动电路组成.逆变器主电路有桥式(图2.2a)和非桥式(图2.2b)两种。电枢绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形六状态(图2.2a) o驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通与关断的驱动信号。
  (2) 转矩的波动
 无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机大，因此希望尽量减小转矩波动。一般相数越多，转矩的波动越小，全桥驱动比半桥驱动转矩的波动小。

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 (3) 电路成本
 相数越多 ，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高，全桥驱动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也高。综合上述分析，三相电机星形连接全桥驱动方式综合性能最好，应用最多，本系统即是选择的这种控制方式，下面介绍三相无刷直流电动机星形连接全桥驱动的基本原理。
2.1.3三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理
 无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数的影响，在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机控制器包括电源部分和控制部分，如图2.3所示。电源部分提供三相电源给电机，控制部分则按照需求转换电源频率。电源部分可以直接以直流电输入或者以交流电输入，如果是以交流电输入就需先经转换器(converter)转成直流电。不论是直流电输入或是交流电输入，送入电机线圈前须先将直流电压由逆变器(inverter)转成三相电压来驱动电机。逆变器一般由六个功率晶体管，分为上桥臂和下桥臂，连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部分则提供PWM脉冲宽度调制信号决定功率晶体管开关频率及逆变器换相的时机。对于无刷直流电机，当负载变动时，一般希望速度可以稳定于设定值而不会有太大的变动，所以电机内部装有霍尔传感器(hall-sensor)，作为速度的闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。
 电机转动由霍尔传感器感应到的电机转子所在位置，决定开启或关闭逆变器中功率晶体管的顺序来控制，如图2.4所示，逆变器中的AH, BH, CH(上桥臂功率晶体管)及AL, BL, CL(下桥臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈，产生顺向或逆向旋转磁场，并与转子磁铁产生的磁场相互作用，使电机顺向或逆向转动。当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环，电机就可以实现转动.功率晶体管的开启方法举例如下:AH, BL一组→AH, CL一组→BH, CL一组→BH, AL一组→CH, AL一组→CH, BL一组，但不能使AH, AL或BH, BL或CH, CL，即同相上下桥臂同时导通.此外，因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。设电机转子位置传感器采集的位置信号为Ha, Hb, Hc，分别对应于逆变器的A相、B相、C相，则当前位置与下一位置电子开关导通相的对应关系如表2.1所示。

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 在电机转动时，控制部分会根据系统设定的速度决定功率管的导通时间。若系统要求加速，则增长功率管导通的时间，若要求减速，则缩短功率管导通的时间，此部分工作由PWM脉宽调制信号控制。
 
 图2．3三相无刷直流电机工作原理
 
 图2．4逆变器原理图

2.2 电机的特性分析
2.2.1电机的运行特性分析
 电动机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械，因此我们最关心的是它的转矩、转速，以及转矩和转速随电压、负载变化的规律。据此，电动机的运行特性可分为:起动特性、电动运行特性、机械特性及调速特性。对于无刷直流电机，其电势平衡方程式为:

式中 U 一 一电源电压(V);
 E一 一 电 枢 绕 组 反 电势(V);
 一 一 平 均电 枢 电 流(A);
 一 一 电枢 绕 组 的 平均电阻(Ω);
 一 一 功 率 器 件的 饱和管压降(V).
对于不同的电枢绕组形式和换向线路形式，电枢反电势均可表示为:
式中n一一电动机转速(r／min)；
Ke一一反电势系数(V／r/min)。由式2.1、2.2可知

在转速不变时，转矩平衡方程式为：
式中T--电磁转矩（N·m）；
 Tl--输出转矩（N·m）
 T。--（N·m）
 这里  T=
 Kt--转矩系数(N·m／A)。
 在转速变动情况下，则有
 
 
 式中系数：J一一转动部分的转动惯量；
 --转子的机械角加速度。
 下面从这些基本公式出发，来讨论无刷直流电动机的各种运行特性。
起动特性
    由式2.1、2.5、2.6可知，电动机在起动时，由于反电势为零，因此电枢电流(即起动
电流)为   

   其值可为正常工作电枢电流的几倍到十几倍。所以起动电磁转矩很大，电动机可以很快起动，并能带负载直接起动。随着转子的加速，反电势E增加，电磁转矩降低，加速力矩也减小，最后进入正常工作状态。

   (2)电动机运行特性
在电动运行状态下，6只开关管任意时刻只有2只开关管导通，分别属于上桥臂和下桥臂。

图2．5电动运行等效电路图
   由图2．5的运行等效电路图可得，在电动运行时AH管和CL管导通时通电回路的回路电压方程如下：

式中一一相电势，电动运行时最大幅值

 在电动运行时，换相前电路电流为零，