永磁无刷直流电动机的控制

按照获取转子位置信息的方法划分,永磁无刷直流电动机的控制方法可以分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。

有位置传感器控制方法是指在永磁无刷直流电动机定子上安装位置传感器来检测转子旋转过程中的位置,将转子磁极的位置信号转换成电信号,为电子换相电路提供正确的换相信息,以此控制电子换相电路中的功率开关管的开关状态,保证电动机各相按顺序导通,在空间形成跳跃式的旋转磁场,驱动永磁转子连续不断地旋转。永磁无刷直流电动机中常用的位置传感器有霍尔元件位置传感器、磁敏晶体管位置传感器、光电式位置传感器等。

永磁无刷直流电动机的无位置传感器控制方法则无须安装传感器,使用场合广,相对于有位置传感器方法有较大的优势,因此,永磁无刷直流电动机的无位置传感器控制近年来已成为研究的热点。永磁无刷直流电动机的无位置传感器控制中,不直接使用转子位置传感器,但在电动机运转过程中,仍然需要转子位置信号,以控制电动机换相。因此,如何通过软硬件间接获得可靠的转子位置信号,成为永磁无刷直流电动机无位置传感器控制的关键。为此,国内外的研究人员在这方面做了大量的研究工作,提出了多种转子位置信号检测方法,大多是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量实现转子位置的估算。归纳起来,可以分为反电动势法、电感法、状态观测器法、电动机方程计算法、人工神经网络法等。

1.永磁无刷直流电动机的控制方法

永磁无刷直流电动机的磁场是非正弦的,不能再用类似于交流异步电动机模型变换的矢量控制算法,而是采用与直流电动机相同的控制方法。即通过调节占空比的斩波器(PWM)控制方法实现电动机转矩与转速的控制。永磁无刷直流电动机的主控电路可参见图5-22。

图5-22　相绕组全控桥电子开关电路

电子开关触发电路每次触发两个晶体管导通时,接通两相定子绕组,每隔60°电角度换向一次,每个晶体管导通120°电角度各次换向晶体管的导通顺序依次为＋A－B、＋A－C、＋B－C、＋B－A、＋C－A、＋C－B,依次记为状态S1、S2、S3、S4、S5、S6。在每个状态中,对上桥臂晶体管作用PWM(占空比信号),控制其导通时间,而相应的下桥臂晶体管则处于常导通状态,见表5-2。这样,控制器通过占空比信号控制定子绕组的通电时间,实现电动机的转速控制。

表5-2　三相无刷直流电动机控制的六个换向状态

2.永磁无刷直流电动机的控制原理

永磁无刷直流电动机的控制原理如图5-23所示。

图5-23　永磁无刷直流电动机的控制原理

三相定子绕组电流经绝对值处理后相加并除以2,得到反馈电流与给定电流进行比较,对其误差进行PI调节(PWM的脉冲宽度)。调节过程为:当时,PI调节器使PWM脉冲变宽;当时,使PWM脉冲变窄。由于调节器的响应速度很快,因而反馈电流始终跟随给定值,对PWM的脉冲宽度及时做出调整。