关键字 |
| 无刷直流(BLDC)电机，电流传感器，直流链路，闭环控制。 |
介绍 |
| 永磁无刷直流电动机具有功率密度高、易于控制等优点，在工业上得到了广泛的应用。无刷直流电动机具有高效率、低维护和低转子惯性的特点，以满足伺服、机器人和家庭应用领域日益增长的需求。无刷直流电动机是一种交流同步电动机，转子上有永磁体，定子上有绕组。永磁体产生转子磁通，通电的定子绕组产生电磁铁极。转子被通电的定子相吸引。通过使用适当的顺序提供定子相位，在定子上产生并维持一个旋转场。转子追逐定子上的电磁铁极的动作是无刷永磁电机的基本动作。 |
| 无刷直流电动机的运行需要转子位置信息。根据转子位置，相位绕组按顺序切换以获得旋转。在大多数无刷直流驱动器中，电流控制回路用于将负载电流维持在某个所需的水平。这是通过在电机绕组上切换恒定的直流链路电压来实现的。电流控制回路需要每个相的反馈电流。通常它是通过使用单独的电流传感器直接测量绕组电流来提供的。但目前的传感器和相关配件增加了电机驱动的复杂性、成本和尺寸，降低了系统的可靠性。因此，在电机驱动中减少传感器的数量是可取的。此外，由于电流传感器灵敏度的差异，使用不同的电流传感器会导致相电流不平衡以及转矩波动。这些缺点可以通过在直流链路上使用单个电流传感器来避免。 Here an algorithm is presented to obtain the phase current values from the DC link current. |
无刷直流电动机建模 |
| 无刷直流电动机采用三相ABC变量建模。三相无刷直流电机的等效电路如图1所示。 |
| 无刷直流电动机的相电压方程为: |
 (1） |
| 在那里, |
| V,V和V，分别为相电压，abc i, i和i，为相电流，abc e, e和e，为相回电动势 |
| 'R'是每个相位的定子电阻，假定所有相位都相等，即Ra= Rb= Rc= R |
| “L”是每个相位的定子电感，假设所有相位都是恒定的，即La= Lb= Lc= L |
| 这里忽略了定子绕组之间的互感。 |
| 对上述方程作拉普拉斯变换， |
 （2） |
| 将上述方程重新排列，得到相电流为 |
 （3） |
| 反相动势可以表示为， |
 （4） |
| 在那里, |
| bk是反电动势常数 |
| Eθ是电转子在弧度内的位置 |
| ωm为转子转速，单位为机械rad/Sec |
 |
| 电磁转矩由 |
 (6） |
| 电机产生的电磁转矩也与转矩常数(t K)和电流与电转子位置的乘积成正比。 |
 (7） |
| 简单系统的电机方程为 |
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| 式中，l T为负载力矩，J为转动惯量，B为阻尼常数。求方程(8)的拉普拉斯变换 |
 （9) |
| 重新排列上面的方程 |
 （10） |
| 给出了电机转子转速与位置的关系 |
 （11） |
| 在那里, |
| P是极点数 |
| ωm为转子转速，单位为机械rad/Sec |
| E θ是电转子在弧度内的位置 |
单直流链路电流传感器技术 |
| 无刷直流电动机由直流电源通过逆变器供电。一个完整周期的反电动势和相电流波形如图2所示。 |
| 在无刷直流电机的闭环电流控制中，采用电流传感器测量瞬时相电流。这种传感器通常体积大、重量重、价格昂贵。单直流链路电流传感器技术是在直流链路上放置一个单电流传感器。从测量的直流链路电流，可以估计相电流。 |
| 在无刷直流电动机中，两个定子相同时通电。因此，逆变器的两个开关(一个上开关和一个下开关)在任何时刻都是导电的。由于电机的两个相在任何时刻都被通电，并且电机是星形连接的，因此相同的电流流过它们。此外，该电流与直流链路电流相同，由单个直流链路电流传感器测量。从直流链路电流出发，根据图2中的相电流波形估计相电流。 |
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 （13） |
 (14） |
| 在那里, |
| abc I I是瞬时相电流 |
| dc i为实测的直流链路电流 |
| E θ是转子在电弧度内的位置 |
无刷直流电机驱动方案 |
| 所提出的无刷直流驱动器的基本框图如图3所示。 |
| 在传感无刷直流驱动器中，霍尔传感器或轴编码器用于获取转子位置信息。驱动控制系统由速度控制的外部速度环和电流控制的内部电流环组成。通常使用三个独立的电流传感器来测量相电流。但这里只使用了一个电流传感器，它位于直流链路上。 |
| A.速度控制 |
| 速度控制块使用比例积分(PI)控制器。PI控制器试图通过计算并输出一个纠正动作来纠正测量过程变量和期望设定点之间的误差，从而相应地调整过程。PI控制器的计算包括两种独立的模式，即比例模式和积分模式。比例模式确定反应对当前的误差，积分模式确定反应基于最近的误差。两种模式输出的加权和作为控制元件的校正动作。PI控制器由于其设计简单，结构简单，在工业中得到了广泛的应用。PI控制器算法可以实现为 |
 (15） |
| 这里速度控制器的输入是速度误差。控制器的输出被认为是参考转矩。根据允许的最大绕组电流，对速度控制器输出进行限制。 |
| B.电流控制 |
| 在电流控制中，将实际相电流与参考相电流进行比较，并将误差传递给pwm电流控制器，以产生逆变器开关的开关信号。参考电流发生器组根据转子位置，以参考电流大小为参考i，产生三相参考电流。转子位置和参考电流如表1所示。 |
| 电流控制可以通过PI控制器或滞环控制器来实现。 |
| PI控制:在无刷直流电动机中，产生的电磁转矩与定子电流的大小成正比。将实际相电流与参考电流进行比较，并将误差馈送到PI控制器，以将其减小到可接受的值。现在将其与三角形载波进行比较，以产生pwm信号。 |
| 迟滞控制:设计迟滞控制器来控制定子电流，从而控制电机的输出电磁转矩。与PI控制器相比，它提供了快速响应。控制器将定子电流维持在关于参考电流值的预定迟滞带内。在此，将电流误差传递给磁滞控制器以获得pwm信号。 |
模拟及结果 |
| 为了评价该系统的性能，利用MATLAB/SIMULINK建立了仿真模型。研究了常规方法和单电流技术的驱动性能。用于仿真的无刷直流电机参数为:dc V = 24V, s R = 0.36Ω， s L = 0.6mH, P = 8, J = 48g- cm2, t K = 0.036Nm/A。 |
| 闭环速度控制仿真结果如图4所示。 |
| 仿真结果表明，该方法与传统方法的速度响应保持一致。因此，通过采用该方法，闭环控制所需的电流传感器数量减少。此外，如果将直流链路传感器放置在地线上，则不需要绝缘系统，可以使用低成本的电阻。 |
结论 |
| 提出了一种新的、简单的方法来降低成本，提高驱动器的性能。该方法通过使用单个直流链路电流传感器来获取实际相电流值，从而降低了成本和驱动器尺寸。此外，如果电流传感器放置在地线上，则不需要绝缘系统，可以使用低成本的电阻。这里还避免了由于电流传感器灵敏度不匹配而导致的相电流不平衡以及脉动转矩。仿真结果表明，该方法具有与传统方法相同的闭环性能。 |
表格一览 |
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| 表1 |
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数字一览 |
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参考文献 |
- 费兹先生，伊巴德普尔先生，s.a.k h。MozaffariNiapour, ArshyaFeizi, R. MousaviAghdam“高性能无刷直流电机驱动的新单电流策略”，国际电气与计算机工程会议，IEEE CCECE 2011，第419 -424页。
- H. K. SamithaRansara，英国马达瓦拉“三相无刷直流电机的低成本驱动”，ieee工业电子学会国际会议，IECON 2011，第1692 - 1697页。
- R. Krishnan，永磁同步和无刷直流电机驱动，CRC出版社，2010。
- 王志强，王志强，基于霍尔传感器的无刷直流电动机梯形控制，中国机械工程，2010。
- 夏春春，李志强，史天涛，“基于单电流传感器的四开关三相无刷直流电机控制策略”，电机工程学报，2015。《工业电子》，第56卷，no。6，第2058-2066页，2009年6月。
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