無刷直流電機相序測定的一種實用方法

2020-11-21 電子產品世界

　　1 引言

　　無刷直流電機採用電子換向裝置代替了傳統直流電機的機械換向裝置，又具有與直流電機類似的機械特性，其磁鋼置於轉子上，通過不斷地變換定子繞組通電方式產生旋轉磁場驅動轉子轉動。由於轉子採用了永磁體結構，無刷直流電機具有體積小、重量輕、結構簡單的特點。隨著電力電子技術的發展，無刷直流電機的應用越來越廣泛。快速有效地確定位置傳感器和繞組間的相序關係是實現無刷直流電機調速功能的關鍵。

　　文獻[1]介紹了無刷直流電機相序故障自恢復的方法，此種方法相應增加了軟體的複雜性。文獻[2]介紹了一種非數字量輸出的位置傳感器相序測定方法，但需要對各相電壓進行測量。文獻[3]採用通電試驗的方法測定無刷直流電機的相序關係，但將轉子轉動到某一固定狀態對於極對數較多的無刷直流電機相對困難，給兩相繞組通電的過程也需要注意繞組電流大小。

　　本文通過對三相無刷直流電機傳感器位置、輸出信號與繞組電動勢間的關係進行分析，提出了一種測定其相序的有效方法。

　　2 無刷直流電機基本控制方法

　　無刷直流電機的轉子磁鋼呈瓦片形，磁極與定子繞組間氣隙均勻，氣隙磁場呈梯形分布。定子繞組感應電動勢波形為梯形波。

　　無刷直流電機定子繞組通常採用三相星形接法，需要應用三相全橋控制電路，其驅動控制系統結構如圖1所示。

　　由V1～V6六隻功率管構成的驅動全橋可以控制繞組的通電狀態。按照功率管的通電方式，可以分為兩兩導通和三三導通兩種控制方式。由於兩兩導通方式提供了更大的電磁轉矩而被廣泛採用。在兩兩導通方式下，每一瞬間有兩個功率管導通，每隔1／6周期即60°電角度換相一次，每隻功率管持續導通120°電角度，對應每相繞組持續導通120°，在此期間相電流方向保持不變。為保證產生最大的電磁轉矩，通常需要使繞組合成磁場與轉子磁場保持垂直。由於採用換相控制方式，其定子繞組產生的是跳變的磁場，使得該磁場與轉子磁場的位置保持在60°～120°相對垂直的範圍區間。

　　功率管的換相信號需要從位置傳感器的狀態得出，換相時刻也就是霍爾傳感器的信號狀態改變的時刻。因此霍爾傳感器和三相繞組對應關係的確定對於電機的正確運行非常重要。

　　3 相序測定的實用方法

　　3.1 位置傳感器安裝方式

　　位置傳感器在無刷直流電機控制系統中起著非常重要的作用。它用於檢測轉子磁極的位置，為開關電路提供正確的換相信息。

　　無刷直流電機常用的位置傳感器是霍爾傳感器，霍爾元件數通常與繞組相數相等，轉子磁鋼作為霍爾元件的勵磁磁場磁極。

　　為了產生正確的換向信號，霍爾傳感器安裝位置有一定要求，通常有120°安裝和60°安裝兩種方式，如圖2所示。

　　以霍爾傳感器安裝方式為120°為例，位置傳感器輸出波形、電機定子繞組通電電流和反電動勢相位關係如圖3所示。

　　以位置傳感器的信號狀態區分，將無刷直流電機的運行狀態分割為6個狀態。各功率管導通區間如圖3所示。

　　兩種位置傳感器安裝方式在本質上是相同的，在電機旋轉過程中，都將360°電角度分割為6種狀態，其中60°安裝方式可以認為是將120°安裝時的一個霍爾元件反轉180°安裝，各元件換相時刻均相同。在換相控制中，將三個霍爾傳感器的輸出信號狀態的組合作為狀態控制變量，例如在圖3所示的第一個運行區間內狀態控制變量為H1 H2 H3(101)。在不同安裝方式下各霍爾元件產生不一樣的狀態控制變量。在120°安裝下，3個位置傳感器信號組成的控制變量為001-110。60°安裝狀況下，將出現000和111的狀態變量，而缺失中間的兩個狀態，因而他們的換相控制表是有區別的。通過觀察霍爾傳感器是否出現111和000的狀態就可以判定霍爾傳感器是哪種安裝方式。

　　3.2 相序測定方法

　　三相星形連接的無刷直流電機，其繞組等效模型如圖1所示。做如下假設，無刷電機三相完全對稱，磁路不飽和，不計磁滯和渦流損耗。三相繞組的電壓平衡方程則如式(1)所示：

　　其中uA，uB，uC為相電壓，e為各相繞組反電動勢，i為流過各相繞組的電流，uN為三相繞組中點電壓。L為三相繞組互感與自感的合成電感。

　　在無刷電機三相繞組均為開路的情況下，即iA=iB=iC=0，我們可以得到下面的結論。

　　其中uBA和uCA為三相繞組的線電壓。從式(2)，式(3)中可以看到，在三相繞組開路的情況下，上面的兩個量可以用反電動勢表示。

　　對於反電動勢的相位關係，由圖3中做進一步的推導，可以得出如圖4所示的相位關係。依據這一相位圖，可以清楚地分辨出各位置傳感器與各相繞組間的相位關係，三相繞組間的電位關係也可以判定，根據圖4同樣可以測定三相繞組間的關係。

　　對於60°安裝的位置傳感器可以按照上面的方法得出類似的相位圖，用於測定相序。

　　4 實驗驗證

　　使用一臺無刷直流電機來驗證前文提出的方法。實驗電機型號為：57BL-3030H1-LS-B。額定轉速為3 000 rpm，極對數為5，採用開關霍爾傳感器作為位置傳感器，位置傳感器為120°安裝方式。

　　在實驗中，首先確定任一繞組作為A相參考繞組，轉動電機，用示波器測量另外兩相與A相間線電壓的相位關係，得到的線電壓波形如圖5所示。對比圖4，兩個線電壓波形的相位領先的則為uBA，據此可以快速確定B相和C相。

　　然後以銘uBA為參考相位，分別測量三個霍爾傳感器與uBA的相位關係，其中一個波形如圖6所示。對比圖4，可以確定此位置傳感器為A相繞組所對應，另兩個位置傳感器以同樣的方法確定。

　　5 結語

　　本文提出僅通過對電機進行簡單測量即可快速有效確定無刷直流電機相序的測定方法，實驗驗證了該方法是有效的。

相關焦點

  • 無刷直流電機調速方法
    無刷直流電機調速方法 　　電機，存在於我們生活中的方方面面。小到玩具車幾毛錢成本的小馬達，大到汽車高鐵上百馬力甚至輪船航母上萬馬力的電動機。電機可以起到電能和機械能相互轉化的作用，發電機和電動機均被稱作電機。除了太陽能電站和電池外，剩下的發電設施都要用到電機。
  • 無位置傳感器無刷直流電機控制的簡易方法
    傳統的無刷直流電機大多以霍爾元件或其它位置檢測元件作位置傳感器，但位置傳感器維修困難，且霍爾元件的溫度特性不好，導致系統可靠性變差。因此，無位置傳感器無刷直流電機成為理想選擇，並具有廣闊的發展前景，但它的控制電路相當複雜。
  • 什麼是無刷直流電機?
    無刷直流電動機是拆下電刷和換向器的電動機之一，這是直流電動機的缺點。它的特點是：（1）永磁場型更換直流電機（定子側）和電樞繞組（轉子側）的磁場永磁體，將永磁體放置在轉子側，電樞繞組放在定子側。（2）代替由於換向器位置的變化而使用電刷進行通電切換，使用霍爾元件來檢測轉子位置信號並反饋到逆變器以控制通電這是一種無刷直流電機。
  • 無刷直流電機(BLDC)詳解
    有刷直流電機直流電機以良好的啟動性能、調速性能等優點著稱，其中屬於直流電機一類的有刷直流電機採用機械換向器，使得驅動方法簡單，其模型示意圖如圖 1.2 所示。電機主要由永磁材料製造的定子、繞有線圈繞組的轉子(電樞) 、換向器和電刷等構成。只要在電刷的A和B兩端通入一定的直流電流， 電機的換向器就會自動改變電機轉子的磁場方向，這樣，直流電機的轉子就會持續運轉下去。
  • 無刷直流風扇電機180度正弦波控制
    目前的變頻風扇一般採用無刷直流電機，因其無勵磁繞組、無換向器、無電刷、無滑環，結構比一般傳統的交、直流電動機簡單，運行可靠，維護簡單。
  • 永磁無刷直流電機生產廠家|1.5KW永磁無刷直流電機的調速方式
    1.5KW永磁無刷直流電機的調速方式永磁直流無刷電機是生活中比較常見的一種電機，永磁直流無刷電機的特點想必大家都比較了解，高效率、恆轉矩、電機保護和調速控制，我們今天主要講永磁無刷直流電機的調速控制方式
  • 直流無刷電機原理
    1.直流無刷電機原理--簡介直流無刷電機是同步電機的一種，也就是說電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數影響
  • 無刷直流電機系統基礎知識
    有刷直流電機結構很多讀者在看到本文的標題後很可能正處於迷惑中，因為到現在為止我還沒有談及無刷直流電機。不過，為了解釋「無刷」，我需要首先解釋電刷用在什麼地方。無刷電機的起源從頭來講也是比較簡單的：大部分有刷直流電機的問題都來自於電刷。電刷可能打火花、磨損、產生很強的噪音並產生很大一部分功耗，導致速度被嚴重限制，且不容易冷卻。
  • 一種消除無刷直流電機換相死區的方案設計
    湖南工業大學，湖南 株洲 412007）　　摘  要：為避免無刷直流電機在換相時因上下橋臂直通而造成電源和開關器件損壞，設計了一種消除換相死區的方案。　　關鍵詞：無刷直流電機；直通；換相；死區本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202001/409334.htm　　0 引言　　無刷直流電機在做換相時，其橋臂上電力電子開關器件的導通狀況往往不是十分理想。
  • 直流無刷電機產生轉矩波動的原因_如何降低轉矩波動
    直流無刷電機產生轉矩波動的原因 　　1、非理想反電動勢波形引起原理性電磁轉矩波動 　　從工作原理看正弦波驅動是一種高性能的控制方式，電流是連續的、三相正弦波交流電流與三相繞組中的三相正弦波反電動勢共同作用產生光滑平穩的電磁轉矩。
  • 空心杯電機與直流無刷電機的區別
    打開APP 空心杯電機與直流無刷電機的區別 發表於 2019-09-20 11:28:50 　　空心杯電機主要功能 　　空心杯電機相比於鐵芯電機，主要的功能就是節能，他的效率有時候能夠高達百分之九十，著實讓人驚奇，除此之外，它的響應速度極快，有時候好的產品，甚至可以達到十毫米以內。
  • 無刷直流電機詳解
    說到BLDC(無刷直流電機)，第一印象是轉速快、壽命長、價格貴，在不同的產品中，不同的產品應用用到的直流電機也不一樣，有刷電機還是用的比較多的，無刷電機就適合一些高成本、高參數要求的產品。下面天孚微電機來為大家詳細的介紹下無刷直流電機。
  • 微型無刷直流電機的無位置傳感器控制
    >永磁無刷直流電機能夠較好地滿足要求。因為電機體積較小，安裝位置傳感器困難，所以微型無刷直流電機的無位置傳感器控制就顯得尤為必要。無刷直流電機的無位置傳感器控制的難點在於轉子位置信號的檢測，目前國內外研究人員提出了諸多方法，其中反電動勢法最為簡單、可靠，應用範圍最廣泛。普遍採用的控制方案為基於DSP的控制和基於專用集成電路的控制等，但是其價格高、體積大，不利於用在微型電機控制器中。
  • 基於無刷直流電機的驅動及各種控制系統實現
    該設計電路結構簡單，成本低、電機運行穩定可靠，實現了電機連續運轉。基於神經網絡的無位置傳感器無刷直流電機驅動（一）基於神經網絡的無位置傳感器無刷直流電機驅動（二）在這項研究中，我們提出和評估了一種使用神經網絡（NN）的無位置傳感器的驅動方法，特別的，他們描述非線性系統和一般化的能力是通過訓練得到的。
  • 淺析無刷直流電機的控制和調速方法
    無刷直流電機那麼，能不能將永磁體作為轉子，而把須通電的線圈作為定子呢？其實，目前的一種新型特種電機——無刷直流電機（BLDC），就採用了這種結構。說是直流電機，但事實上並不算是直流電機。大體思路是通過控制線圈通電的順序，對向線圈分到一組，同時通電流，使之產生相同方向的磁場。以三相BLDC為例，該電機極對數為三，讓每對「磁極」分別按一定順序導通，達到相當於磁場轉起來的效果。
  • 直流無刷電機(BLDC)方波驅動
    下圖是無刷直流電機三相橋驅動示意圖：圖 1 無刷直流電機功率部分和拓撲圖六步換相驅動是一種三相Y型連接BLDC電機的常用方法。在電機運轉過程中，當正向的磁感線穿過霍爾傳感器，傳感器輸出「1」，反之，輸出「0」。由於3個霍爾傳感器均勻安裝在360度電角度，當電機運轉一個電氣周期（360）時，每個霍爾傳感器的電平會發生兩次翻轉，總共發生6次電平翻轉，由於傳感器是均勻分布的，所以每次翻轉剛好相差60度電角度，這正是電機兩次換相相差的電角度。
  • 一種通用型三相無感無刷直流電機控制器設計
    無感無刷電機時，由於不同電機換相頻率和轉動力矩等參數不同，需要設計相應的控制器，成本較高。　　0 引言　　無刷直流電機是一類具備交、直流電機眾多優點的機電一體化產品[1]。1962年首次研製成功的有感無刷電機採用霍爾效應轉子位置傳感器來實現換相。隨後通過電機線圈反電勢和其它電氣參數計算轉子位置技術的發現使得無感無刷電機得到不斷推廣。
  • 基於ATmega8的無刷直流電機調速控制系統
    本文根據無刷直流電機的原理，利用美國Atmel公司2002年推出的一款新型AVR高檔單片機ATmega8作為主控晶片設計了一種無刷直流電機調速控制系統，該系統具有硬體結構簡單、軟體設計靈活、適用面廣、價格低廉等優點?具有一定的實用價值。
  • 用於Quad-rotor飛行器的無刷直流電機驅動系統整體設計
    而無位置傳感器無刷直流電機還可以減少外部幹擾對電機的影響。本文選擇ADuC7026作微處理器，無位置傳感器無刷直流電機作為驅動電機，介紹了Quad-rotor飛行器驅動系統的整體設計。本文主要解決無位置傳感器無刷直流電機的平穩快速起動以及電機轉子位置信號的準確獲取等問題。無刷直流電機控制策略電機起動方案Quad-rotor飛行器需要螺旋槳高速旋轉產生升力，只考慮轉速精度即可，而不需考慮轉矩精度，因此，起動只要求平穩快速。
  • 無刷直流電機的結構與特性
    無刷直流電機的電機本體在結構上與看永磁同步電機類似，只是沒籠型繞組和它的啟動裝置。它的定子繞組可以是簡單的單相，也可以使三相以上的結構，電樞繞組的連接方式主要有星形和三角形連接兩種，電子換相電路一般有橋式和非橋式兩種，它們可以組成很多變化形式。下面就是最常見的兩兩三相星形六狀態永磁無刷直流電機的工作原理簡單分析。