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机电设备的无线管控装置
编辑:娱乐吧亚洲第一品牌 发布日期:2018-11-11

  无刷直流电机既具有交流电机结构简单、运行(Windows)可靠、维护(Maintain)方便等优点,又具有直流电机运行效率(efficiency)高、无励磁损耗、调速性能(xìng néng)好的特性,因此在各行业中的应用日益广泛。电动机是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子(如鼠笼式闭合铝框)形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机,电力系统中的电动机大部分是交流电机,可以是同步电机或者是异步电机(电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速)。微型电动机是指直径小于160mm或额定功率小于750W的电机,微型电动机常用于控制系统或传动机械负载中,用于实现机电信号或能量的检测、解析运算、放大、实行或转换等功能。无刷直流电机是一种特殊的永磁同步电机,传统(chuán tǒng)的无刷直流电机大多数采用位置(position )传感器(transducer)确定转子(rotor)位置,并据此控制驱动(Driver)电路(DC)换相。由于位置传感器的存在,增加了电机体积和成本(Cost),降低(reduce)了电机可靠性,限制了某些场合的应用。本文给出一种基于反电动势过零点检测(jiǎn cè)法控制无刷直流电机的实现方法(method),该方法所需硬件简单,App功能强大。
  2无刷直流电机的结构无刷直流电机由电机本体、转子位置检测电路以及电子开关电路3部分组成。其示意所示。
  电子开关电路主要作用是控制电机本体定子(组成:定子铁芯、定子绕组和机座)各相绕组的通电顺序和时间,主要由功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)管、驱动电路以及转子位置信号处理模块构成。转子位置检测电路主要作用是实时检测转子位置,为换相提供依据。电机本体由定子线圈(winding)绕组与永磁转子构成。电机本体结构如所示。
  3无刷直流电机工作(job)原理(Maxim)有刷直流电机通过电刷实现转子绕组的换相,产生旋转磁场,且定子磁场与转子磁场方向垂直,从而使转子旋转。无刷直流电机工作过程与此类似,不同之处在于通过电子开关电路控制定子换相,使定子绕组产生旋转磁场,使得永磁转子旋转。
  由此可见,无刷直流电机中,转子位置非常重要,否则不能准确控制换相时间,导致电机不能输出最大转矩,甚至不能运转。
  4反电动势过零点检测法要实现无位置传感器无刷直流电机的控制,关键(说明:比喻事物的重要组成部分)问题是如何获得转子的位置信息。由于永磁转子旋转产生旋转的磁场,定子绕组切割该磁场,感应出电动势,该电动势就是反电动势。反电动势过零点检测法是一种常用的方法,由无刷直流电机结构可知,反电动势过零点与转子位置有对应关系,通过对定子绕组上反电动势的检测得到过零点,就可以得到转子位置信息,由此控制换相。
  以三相Y型连接,两两导通为例说明反电动势与换相的关系以及反电动势检测方法。电机主回路电路如所示。转子以ω角速度运转时,各相产生的反电动势波形如所示,E
  A、E
  B、E c分别为
  A、
  B、c相的反电动势。当某一相的反电动势出现过零点后,再延迟30°电角度(angle)就是换相时刻。因此只要能检测到反电动势的过零点,根据当时的转速,延时转子转过30°的时间,控制Q1至Q6的通断,就可实现换相。
  实际中,电机()反电动势不能直接检测,只能间接获取。由电机三相端电压平衡方程可以推导出在反电动势过零点附近有:其中,U
  A、U
  B、U c为
  A、
  B、c相的端电压。
  通过检测相电压,再根据式(1)、(2)、(3)很容易得到反电动势过零点,再延时30°电角度换相,就可以使励磁与转子同步。
  5系统(system)硬件设计(Design)采用Microchip企业(Company)的dsPIC30F3010微控制器实现无刷直流电机的控制。dsPIC30F3010具有6路10位A/
  D、专门针对电机设计的6路PWM模块、5路16位定时器、24KBFlash程序存储器以及1KB。其硬件电路图所示。用AN2、AN3、AN4实现电机端电压检测,得到反电动势过零点。采用PWM模块控制6个MOS-FET通断,就可实现换相,采用不同的占空比就可实现对电机调速。
  通过对阻值为0.1Ω的电阻端电压的检测获取过流、过载信息,根据电机的实际情况调整放大倍数和比较器的参考电压。因电机反电动势通常比5V高,故必须通过电阻分压后才能进行A/D转换,分压电阻根据电机母线电压不同取不同值,只要能保证分压后的电压在微控制器的允许范围(fàn wéi)内即可。
  3相逆变桥由6个MOSFET构成,本系统设计采用IR2407,它可承受600V电压,电流(Electron flow)达49A。PWM驱动器由3片IR2110构成。由于dsPIC30F3010为28引脚器件,I/O口有限,不能设计人机接口(interface),因此,需采用RS-232接口与PC机连接,通过超级终端App实现人机对话。
  6系统App设计App由初始化模块、启动模块及无传感器运行模块构成。因电机启动时转速很低,反电动势很小,故反电动势过零点检测法失效,只能用开环控制电机,当电机达到一定转速后切换到闭环控制,采用反电动势过零点检测法检测转子位置,所以启动模块是必须的。App主程序流程如所示。
  在反电动势过零点检测模块中,对经电阻分压后的端电压进行A/D转换,再根据式(1)、(2)、(3)计算(calculate )各相反电动势,如果某相的反电动势为零,则该时刻对应着该相反电动势过零点。如果三个值都不为零,则说明换相时刻还没有到来,不需要换相。这就要求对端电压分压的电阻必须对称,以减小误差,且A/D转换频率(frequency)应该与电机转速相匹配。
  7结束语实验证(Experimental)明,该无刷直流电机硬件结构简单、可控性好。低速启动时,电机性能不如有传感器无刷直流电机,但启动后性能与有传感器相当。无传感器无刷直流电机可在恶劣的工作环境下工作,受干扰比较小,可靠性高,成本低,具有较广阔的市场前景。

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