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直流无刷电机弦波式换相原则

时间:05-12 19:15 点击:105

梯形波式换相对直流无刷电机来说不能达到一个平滑和精确的控制,尤其是在低速运行的情况下。而弦波式换相就可以解决这些问题。

 

直流无刷电机的弦波式控制方式主要是通过同时控制三组线圈的电流,让他们在直流无刷电机旋转过程中平滑地以弦波形式变化。三组线圈的电流被实时地控制以达到一个大小恒定且保持与转子磁场方向垂直的矢量。相对于梯形波式换相,这种换相方式可消除力矩的波动和换相时候的电流跳动。

 

在旋转过程中,为了让直流无刷电机的电流更接近于平滑的弦波形式,我们就需要用一个高精度的传感器来精确测量转子的转动位置。而霍尔信号只能做出粗糙的测量,完全达不到这种高精度要求,所以我们就需要用编码器或者类似的装置来达到我们的要求。

 

直流无刷电机驱动的弦波式换相的框架图。这种方式具有两路独立的电流控制环,以此来对电机的两路线圈进行实时控制。因为直流无刷电机是 WYE 型接线,所以第三组线圈的电流与另两组线圈的电流总和大小相等,但方向相反(牛顿电流定律),因此我们不能单独地控制第三组线圈的电流。

 

直流无刷电机驱动器弦波换相图


因为三组线圈的电流必须被组合成一组稳定的直流无刷电机旋转矢量电流,而且这三组线圈相互保持120 度的角度,所以三组电流必须为弦波形式,而且保持 120 度的相位差。位置编码器主要用来提供两路弦波信号,而且相互间隔 120 度。这两路信号将和力矩控制信号相互叠加成一个放大的弦波式信号以得到对直流无刷电机的控制力矩。这两路电流信号经过相位的叠加形成让直流无刷电机转动的电流矢量。

 

两路电机线圈的电流信号经过整定而得到的弦波信号将被输入到一对 P-I 控制器里。由于第三路线圈电流是另两路的负向叠加,所以我们无需控制它。每路 P-I 控制器的输出信号将被接入 PWM 进行调制,并通过桥路输入到直流无刷电机的线圈中。第三路线圈的控制电压为另两路线圈电压的负向叠加,而这三路的控制电压依然保持 120 度的相位角。为了让实际输出的电流波形精确地与电流控制信号吻合,所以经过整定的电流控制矢量就必须像我们所需要的那样旋转平滑,大小稳定,并且一直保持和转子磁场方向垂直。

弦波式换相能得到梯形波式换相所不能达到的对直流无刷电机的平滑控制。然而,这种理想的方式只能对电机低速运动起到非常好的平滑作用,而对于直流无刷电机的高速运动则没有任何作用。因为当速度起来后,电流环控制器必须跟踪频率不断提高的弦波信号,而且还要克服振幅和频率不断提高的电机反电动势。

 

直流无刷电机弦波控制


因为 P-I 控制器的增益和响应频率是有限制的,所以这种电流环控制的不稳定性很容易引起电流的相位滞后和控制误差。速度越高,误差越大。这也导致定子电流矢量的方向不能稳定地跟随转子的旋转磁场,偏离于有效的垂直方向。这就使得直流无刷电机输出的力矩变小,因此我们就需要更多的电流来保持电机的力矩。这也就表示直流无刷电机的工作效率降低了。

 

直流无刷电机转速越高,这种情况越恶化。在某种状态下,直流无刷电机电流的方向偏移会达到 90 度之多,当这个时候,直流无刷电机的力矩会减小为零。在采用弦波式换相的情况下,如果速度高于上述的状态时,直流无刷电机会输出负力矩,但这是不可能发生的事。


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