电机控制器基础知识

部门：杭州绿天新能源科技讲师：李淑亚日期：2015.09.09QQ:645529932电话：[phone]E-mail:[e-mail]电机控制器基础知识培训电机控制器是通过集成电路的主动工作来控制电机按照设定的方向，速度，角度，响应时间进行工作。使得电机应用范围更为广泛，输出效率更高，噪音更小等优点。§1-1电机控制器定义电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能:对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号;产生PWM脉宽调制信号，实现电机的调速;实现短路、过流、欠压等故障保护功能。无刷电机控制器的原理无刷电机控制器的基本维修无刷电机控制器无刷电机控制器是可用于为三相无刷电机提供封闭回路的换向控制信号的控制装置，同时利用模式还可对电机速度进行控制并对电机进行必要的保护，无刷电机的控制器要比有刷电机控制器复杂得多。无刷直流电动机的发展概况无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。所谓无刷，就是利用电子器件和传感装置代替直流电动机的换向器。这使电动机减少了滑动接触，消除了换向火花，减少了对无线电的干扰。具有以下优点：调速范围广、调速性能平滑、启动迅速、噪音低。无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。§1-2无刷直流电机发展概况项目无刷直流电动机有刷直流电动机换向借助转自子位置传感器实现电子换向由电刷和换向器进行机械换向维护由于没有电刷和换向器，很少需要维护需要周期性维护寿命比较长比较短机械（速度/力矩）特性平（硬）在负载条件下能在所有速度上运行中等平（中等硬）。在较高速度上运行时，电刷摩擦增加，有用力矩减小效率由于没有电刷压降，所以效率高中等输出功率/外形尺寸之比高由于电枢绕组设置在与机壳相连的定子上，容易散热。这种优异的热传导特性允许减小电动机的尺寸，所以输出功率/外形尺寸之比高中等/低。电枢产生的热量消散在气隙内，这样增加了气隙温度，从而限制了输出功率/外形尺寸之比转自惯量低。因为永磁体设置在转子上，改善了动态响应转自惯量高，限制了动态特性速度范围比较高。没有电刷/换向器给予的机械限制比较低，存在电刷给予的机械限制电气噪声低电刷的电弧将对附近的设备产生电磁干扰制造价格比较高低控制复杂和价格贵简单和价格不贵控制要求为了使电动机运转必须要有控制器，但同样的控制器可用于变速控制对于一个固定的速度而言，不需要控制器；有变速要求的时候才需要控制器无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较§1-3无刷直流电机与有刷直流电机区别下面以干手器电机为例，从几个方面来谈谈有刷电机和无刷电机的区别：1、适用范围：无刷电机的设备可以运用于：乳制品行业、酿造行业、肉制品加工行业、豆制品加工行业、饮料加工行业、糕点加工业、药品业、电子精密厂、等一些更高要求的无尘车间等，像迪奥电器产的无刷电机（DIHOUR）干手器，运用到工厂里比较多。碳刷电机：只能适用于各式洗手间等对要求不是太高的区域，而像无尘车间和防爆车间就无法使用了！2、使用寿命：无刷电机：可连续工作20000小时左右，常规的使用寿命7-10年。碳刷电机：可连续工作5000小时左右，常规的使用寿命2-3年。3、使用效果：无刷电机：以90-95m/s高速运转，实际效果可达到5-7s的干手时间。碳刷电机：运转速度及干手时间要远低于无刷电机。4、节能方面：相对而言，无刷电机的耗电量只是碳刷的1/3。5、日后维修方面碳刷电机磨损后，不仅更换碳刷，还更换转齿等电机周边的附件，成本要高出很多。最主要的是，整体的功能将会受到影响。6、噪音及使用寿命碳刷电机所发出的噪音要比无刷电机的高的多，而且随着日后的碳刷磨损，有刷电机噪音会越来越大，而无刷电机就不会受影响。无刷直流电机结构：无刷直流电动机由电动机本体、位置传感器及电子换向开关电路三个基本部分组成。其中位置传感器相当于直流电动机的电刷，电子换向开关就是一个静止的换向器。1、电动机本体由一定极对数的永磁钢转子（亦称主转子）和一个多相的电枢绕组（亦称主定子）组成。电枢绕组分开启式和闭合式两种，固定在定子铁心槽内。电枢绕组有三相星形接法、四星星形接法、三相角形接法、四相闭合式接法、二相正交式接法。其绕组的端头和相应的电子开关电路连接。为了改善齿谐及减少转矩波动，电枢绕组可采用分数槽绕组。电枢铁心由硅钢片叠压而成。§1-4无刷直流电机结构2、位置传感器其作用主要是检测转子的位置，随转子位置变化依次通电。传感器转子和传感器定子组成，前者与主转子同轴旋转，后者安装在定子机壳内。它能够提供信号，并按照一定的逻辑关系去触发电子换向开关电路。位置传感器的构成及主要特点：磁敏转换式：1）构成：传感器定子（按照一定次序配置的磁敏元件——霍尔元件、磁敏二极管或三极管）2）特点：霍尔元件体积小，正反转控制方便，并能提供随转子位置做正炫变化的信号，对温度敏感。电磁转换式：1）：构成：传感器定子按一定次序配置的电磁元件——开口变压器（电感器）；传感器转子（导磁片）2）特点：结构可靠，输出信号大而稳定，抗震，对环境要求不高，体积较大。光电转换式：1）构成：传感器定子（按照一定次序配置的光电元件——光敏二极管、三极管、发光二极管或固态光源）传感器转子（有光栅形成的旋转光束）四状态。3、电子换向开关电路由适当数量的三极管等组成，它与相应的电刷绕组相连接，各功率元件的导通与截止，取决于位置传感器的信号。绕组型式忽然电子开关电路的配合方式：三相星形（开启式）绕组，一相导通，三相三状态；四星星形（开启式）绕组，一相导通，四相四状态；三相星形（开启式）绕组，二相导通，三相六状态三相闭合式绕组，三相导通，三相六状态；四相闭合式绕组，一相导通，四相四状态；二相正交式（开启式）绕组，一相导通，二相四状态。无刷直流电动机的基本工作原理1．无刷直流电动机转矩分析电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器与电机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号，控制动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。§1-5无刷直流电机基本原理分析如图1-1所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T6导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。在次期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。无刷直流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。2．无刷直流电动机与输出开关管换流信号无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图1-2所示，以信号A为例，A相位置宽度为180电导角：在0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，（此时下部可供导通的管子为T4、T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度—120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是为B相导电作准备；而在120度—180度时，由于每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断（T1=0），T2仍然导通（B相开始进入导电期），此时可知，T1关断，T5不能开通（防止桥臂直通），则此时只能开通T3，所以T3信号此时间段为1。其他时间段的开关管导通情况与此类似。理论上，只要保证三个位置传感器在空间上互差120度，开关管的换流时刻总是可以推算出来的。然而，为了简化控制电路，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点（r0=00）上.那么在r0=00的控制条件下，A相绕组开始通电的时刻（即该相反电势相位30度位置）恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。同理，其他开关管的导通时刻也可以按同样方法确定。本设计选用的是三相无刷永磁直流电动机，其额定电压UH=36V,电枢额定电流IaH=8.5A,电枢峰值电流IaP≤15A,额定转速nH=350r/min,额定功率PH=250W。图1-2无刷电动机位置检测及开关管驱动信号表1-2无刷电动机直流通电控制方式开关切换表旋转方向位置传感器逆变桥开关管驱动信号ABCT1T2T3T4T5T6正转001000011010001100011000110100110000101100001110011000反转001011000010100001011110000100000110101001100110000011无刷直流电动机的运行特性§1-6无刷直流电机运行特性1)、机械特性无刷直流电动机的机械特性为：22222STasTeeeetUUrIUUrnTCCCC（1-1）UT-开关器件的管压降Ia-电枢电流Ce-电机的电动势常数-每级磁通量可见无刷直流电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同，机械特性较硬。在不同的供电电压驱动下，可以得到如1-3图所示机械特性曲线簇。当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时，管压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。图1-3机械特性曲线簇2）、调节特性无刷直流电动机的调节特性如图1-4所示。图1-4调节特性022eTTrTUUC1eKC（1-2）（1-3）调节特性的始动电压和斜率分别为：从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁