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直流无刷电动机低成本正弦波驱动控制的需求

时间:12-26 18:43 点击:113

直流无刷电动机按驱动控制方式不同,可分为方波驱动和正弦波驱动。就其控制电路和位置传感器而言,方波驱动相对简单、成本较低而得到广泛应用,是目前绝大多数直流无刷电动机的驱动方式;正弦波驱动的控制电路要比方波驱动复杂,位置传感器需要使用价格较贵的旋转变压器或光电编码器等高分辨率位置传感器,生产成本较高,但其性能优异,过去主要用于军用、工业用较高要求的伺服系统中。但是,正弦波驱动毕竟在性能方面具有明显优势,近年出现的新一代正弦波驱动技术,不需要高分辦率位置传感器,使它们在计算机外围设备、办公自动化设备、甚至家用电器的小功率直流无刷电动机驱动控制中开始得到应用。

 

正弦波驱动是借助位置传感器提供的连续转子位置信息,以强制绕组流过正弦波相电流为特征的电子换相方法。正弦波驱动的永磁电动机产生的转矩为常数,与转子位置角度无关。正弦波驱动,即使在低速下,将会有恒定的转矩产生。当在电动机中的相电流强制为正弦波曲线的时候,转子在任何位置下,由定子建立的磁场矢量与转子磁场矢量之间夹角总是维持在90°。这个90°角度正是在给定电流下,能产生最大转矩、并且损耗最小的角度。因此,正弦波驱动的优势是能够得到低转矩纹波,平滑的运动,小的可闻噪声,并且有较高的效率。此外,正弦波驱动容易利用超前角技术实现弱磁控制,拓宽调速范围,也是方波驱动难以实现的。

 无刷电动机正弦波驱动控制需求

近年,随着家用电器对效能指标要求的提高,家用电器中的低效率交流异步电动机逐步被永磁直流无刷电动机所取代,以直流无刷电机为主的变频技术应用逐渐增多。直流无刷电动机在家用电器一般应用场合,常常采用方波驱动,方波驱动的控制器电路较简单,成本较低,但电机转矩波动和噪声较大。现在某些家用电器已提出降低直流无刷电动机噪声的要求。如改为采用正弦波驱动,则可望大大降低噪声。因白色家电对电机变频控制有兼顾性能和成本两方面的要求,因此,开展直流无刷电动机低成本正弦波驱动控制技术的开发和实用化研究,即如何在保证电动机运行性能的前提下,简化电路结构和降低系统成本,对于推广直流无刷电动机的应用范围是很有意义的。据日本电器电机开发研究所一份资料介绍,空调用风机无刷电机原先按120°方波驱动,换相时会发生振动、噪声,所以空调用风机必须采取防振措施。现在,空调风机采用了新开发的高效无刷电动机,并采用低成本正弦波驱动实现了低振动、低噪声,免去了电动机的防振结构使得总体成本下降,比以往的方波驱动噪声降低5-10dB。并采用了超前角控制使输人功率减小,效率提高。而且可以在高速区域运转,速度控制范围明显扩大。由于自动进行超前角控制,与固定超前角相比不但可以提高效率百分之五,还不需要根据负载进行调整,使用更加简便。采用低成本正弦波驱动静音高效的直流无刷电动机有可能迅速向其他家电产品普及。

 

从正弦波驱动原理看,正弦波驱动要求绕组的反电动勢和电流都是正弦波,而且此正弦波必须与转子位置相关。对于大多数的整数槽绕组和分数槽绕组电机其线电动势波形的谐波将被明显削弱,更接近于正弦波。只要气隙磁场和绕组合理设计,要获得正弦波反电动势的条件是不难达到的。而正弦波电流由控制器利用转子转角位置信息产生,使绕组相电流与转子转角有确定的正弦函数关系。为此正弦波驱动要求有高分辨率转子位置传感器以产生转子位置的连续信息。所以,低成本正弦波驱动的关键是要解决如何能够以低成本的方法获得高分辨率转子位置信息这个问题。

 

简易位置传感器或无传感器正弦波换相控制技术的出现,特别是支持这种控制技术的新一代直流无刷电动机正弦波控制芯片的问世,大大促进直流无刷电动机控制正弦化趋向的形成


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