无刷直流电机的驱动及控制.docx

无刷直流电机驱动 James P. Johnson, Caterpiller 公司 本章的题目是无刷直流电动机及其驱动。无刷直流电动机（BLDC）的运行仿效了有 刷并励直流电动机或是永磁直流电动机的运行。通过将原直流电动机的定子、转子内外对 调—变成采用包含电枢绕组的交流定子和产生磁场的转子使得该仿效得以可能。正如本章 中要进一步讨论的，输入到 BLDC 定子绕组中的交流电流必须与转子位置同步更变，以便 保持磁场定向，或优化定子电流与转子磁通的相互作用，类似于有刷直流电动机中换向器、 电刷对绕组的作用。该原理的实际运用只能在开关电子学新发展的今天方可出现。BLDC 电机控制是今天世界上发展最快的运动控制技术。可以预见，随着 BLDC 的优点愈益被大 家所熟知且燃油成本持续增加，BLDC 必然会进一步广泛运用。 2011-01-30 23.1 BLDC 基本原理 在众文献中无刷直流电动机有许多定义。NEMA 标准《运动/定位控制电动机和控制》 中对“无刷直流电动机”的定义是：“无刷直流电动机是具有永久磁铁转子并具有转轴位 置监测来实施电子换向的旋转自同步电机。不论其驱动电子装置是否与电动机集成在一起 还是彼此分离，只要满足这一定义均为所指。” 图 23.1 无刷直流电机构形 2011-01-31 若干类型的电机和驱动被归类于无刷直流电机，它们包括： 永磁同步电机（PMSMs）； 梯形反电势(back - EMF)表面安装磁铁无刷直流电机； 正弦形表面安装磁铁无刷直流电机； 内嵌式磁铁无刷直流电机； 电机与驱动装置组合式无刷直流电机； 轴向磁通无刷直流电机。 图 23.1 给出了几种较常见的无刷直流电机的构形图。永磁同步电机反电势是正弦形的， 其绕组如同其他交流电机一样通常不是满距，或是接近满距的集中式绕组。许多无刷直流 电机的绕组也是这样。表面安装式磁铁无刷直流电机的反电势波形通常取决于磁铁的磁场 取向。要获得正弦形反电势的一般方法是采用磁铁的并联式磁化方向。而梯形反电势则采 用径向磁化方向。最一般的无刷直流电机形式是 4 极，类梯形反电势波形的表面安装磁铁 电机。 23.2 控制原理和控制策略 一般的自同步无刷直流电动机逆变器和驱动的结构图如图 23.2 所示。图中所示之驱动 系统通常较多用于电压源逆变器（VSI）。电压源逆变器的对应是电流源逆变器（CSI）。 VSI 之所以较为广泛运用是因为其成本、重量、动态性能，以及易于控制均优于 CSI[1]。 两种逆变器重量和成本的差异是由于 VSI 采用电容器进行直流耦合，而 CSI 须要在整流器 和逆变器之间接有笨重的电抗器。VSI 在动态响应能力上也与 CSI 不同。由于大的电抗器 的作用就是满足 CSI 作为恒流源的较大的换向重叠角的需要，防止电机绕组中电流的快速 变化，抑制电机的高速伺服运行。这就会加大驱动系统中阻尼器的尺寸。对于 CSI 所期望 得到的恒流控制和恒转矩控制性能，在 VSI 中，也可通过其内部的电流控制环中滞后型电 流控制而近似得到。 2011-2-01 术语“自同步”指的是为了定子相电流脉冲与电机各相反电势一致所需正确的各管导 通顺序，驱动电路对即时转子位置信息的要求。 图 23.2 基本的无刷直流电动机驱动 图 23.3 是无刷直流电动机一经典的位置和转速控制方案的方框图。如果仅仅期望转速 控制，可以将位置控制器和位置反馈电路去掉。通常在高性能的位置控制器中位置和转速 传感器都是需要的。如果仅有位置传感器而没有转速传感器，那就要求检测位置信号的差 异，在模拟系统中就要导致噪声的放大；而在数字系统中这不是问题。对于位置和转速控 制的无刷直流电动机，位置传感器或者是其他获取转子位置信息的元件是一定要的。 图 23.3 经典转速和位置控制无刷直流电动机系统方框图 许多高性能的应用场合为了转矩控制还需要电流反馈[1]。至少，需要汇线电流反馈来防止 电机和驱动系统过流。当添加一内电流闭环控制就能实现非常快的电流源逆变器那样的性 能，而不需要直流耦合电抗器，它被称为电流调节电压源逆变器（CRVSI）[1]。驱动中的 直流电压调节也可由作用类似直流电源的可控整流器来实现，或者既可通过在变换器中将 PWM 信号同时加在上下开关，也可通过仅仅加在上开关或下开关来实现。 2011-2-05 采用仅通断下开关或仅通断上开关的 PWM 技术可减少开关损耗，而上下开关同时通 断则正相反。然而，如果运用提前角技术，上下两只管开和关，则由于在一个相臂上导通 的开关管与另一相臂上的续流二极管间存在闭合路径，该路径产生的电流会导致负转矩。 不运用一个“斩波”开关来调节直流母线电压可在驱动系统中省去一个开关，但是采用直 流调节开关，也仅有一只功率半导体器件承受 PWM 的较高的载波频率开关