一种新型无刷直流电动机调速电路设计

崔 健



一种新型无刷直流电动机调速电路设计

崔 健

(驻西安东风仪表厂军代室，陕西 西安，710065)

为了提高电机的可靠性, 基于对无刷直流电动机（BLDCM）调速原理的分析, 通过对传统有刷直流电机调速系统通常采用的脉宽调制（PWM）电路的改进, 设计了一种新的PWM调速电路, 该电路利用单电源供电, 克服了双电源不对称时对调速脉宽的影响, 通过对该电路的系统试验, 结果表明, 所设计的电路应用器件少, 可控性好, 精度高, 电源电压稳定性要求低且输出稳定, 可广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等多种领域。

无刷直流电动机; 调速; 脉宽调制

0 引言

随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的发展, 无刷直流电动机(brushless DC motor, BLDCM)得以迅速推广。BLDCM是当今世界上一种先进的电子驱动电机, 它采用现代先进的控制方式和大规模集成电路技术, 较一般的有刷直流电机和普通交流电机有较大的优越性能。

有刷直流电动机目前在各个领域的应用较多, 技术相对成熟。但传统的机械换向使有刷直流电动机的可靠性低, 容易失效, 必须经常维护。BLDCM由电子器件(如MOSFET功率开关、绝缘栅双极性晶体管IGBT等)对电机相绕组进行电子换相, 取代了有刷直流电动机的换相器和电刷机械换相, 而又具备了与有刷直流电动机相同的线性机械特性、调速范围宽、启动力矩大、效率高和容易控制等优点[1]。

BLDCM的调速方式与有刷直流电动机类似, 但又有其特殊性。本文针对BLDCM调速的特殊性, 对传统的有刷直流电机调速系统通常采用的脉宽调制(pulse width modulated, PWM)电路进行改进, 以期设计性能稳定, 精度高, 适用于BLDCM调速系统的新型调速电路。

1 BLDCM数学模型

对于两相导通星形三相六拍BLDCM的状态方程[2]

式中:u,u,u为定子相绕组电压;i,i,i为定子相绕组电流;e,e,e为定子相绕组反电势;为每相绕组的自感;为每两相绕组的互感;为微分算子, 即＝d/d。定子绕组产生的电磁转矩为

由式(2)可以看出, BLDCM电磁转矩公式与普通直流电动机相似, 其电磁转矩的大小与磁通和电流幅值成正比, 所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制电磁转矩[3]。为产生恒定的电磁转矩, 要求定子电流为方波, 反电动势为梯形波, 且在每半个周期内, 方波电流的持续时间为120°电角度, 两者应严格同步。

运动方程为

式中:T为电磁转矩;T为负载转矩;为阻尼系数;为电机转速;为电机的转动惯量。

2 BLDCM控制系统结构

BLDCM控制系统结构如图1所示。

图1 BLDCM控制系统结构图

该系统采用速度环控制。主要由综合电路、速度控制电路、转向控制电路、调制电路、换相电路、功放电路和BLDCM本体等组成[4]。BLDCM中的位置传感器随时判断电机转子位置, 利用这个位置信号与转向控制信号共同决定逆变器电路中开关管的导通与关断, 且该位置检测信号经变换后参与速度控制。

传统的有刷直流电机调速系统通常采用脉宽调制(pulse width modulated, PWM)电路, 而BLDCM电磁转矩公式与普通直流电动机相似, 因此本系统亦采用PWM电路进行调速[5]。PWM电路具有电路简单、参数调整方便、控制精度较高等特点, 但由于BLDCM控制的特殊性, 必须对传统PWM电路进行改进。

3 改进的BLDCM调速电路设计

有刷直流电动机通常使用PWM电路进行电源PWM进行调速[6]。PWM电路通常由三角波发生器产生一定频率的三角波, 经与输入信号比较后产生一定脉宽的方波信号驱动功率放大电路。由于三角波发生器芯片为双电源供电, 当双电源幅值发生偏置时, 三角波也会发生偏置, 影响调速信号脉宽, 从而影响系统的控制精度[7]。

本文对传统的PWM电路进行了改进, 将波形发生器电路和比较器电路用一SG1525芯片代替。该芯片组成的PWM调速电路如图2。

图2 SG1525组成的PWM调速电路

图中:s为调速信号;c为参考电压, 由BLDCM的位置检测信号经转换后产生。该芯片为单电源供电, 且电源电压发生波动时输出方波脉宽不会变化, 仅幅值随电源电压波动; 该芯片输出为相位差180°电角度的两路方波信号, 每路方波的占空比为0~50%, 两路综合后可实现100%的调制。输出方波的频率由2和1确定,4/1为误差放大器的增益比[8]。

4 BLDCM系统试验

采用改进的BLDCM调速电路进行系统试验, 电路图如图3所示。选定不同误差放大器增益比测试结果分别见表1和表2。从试验结果可看出, PWM电路输出方波的占空比为80%时, BLDCM的转速已达到饱和, 再提高占空比BLDCM的转速基本不变(稳定在空载转速); BLDCM的转速与s近似成线性关系; 根据表1、表2的试验数据, 证明了BLDCM的转速与误差放大器增益比无关; 误差放大器增益比的大小决定了调速信号s的调整范围。

图3 BLDCM调速电路图

表1 误差放大器增益比为1时的试验结果

表2 误差放大器增益比为2时的试验结果

5 结束语

本文设计了一种经改进的PWM调速电路, 经试验结果表明, 该电路应用器件少、可控性好、精度高、电源电压稳定性要求低、输出稳定, 同时也证明了该电路应用于BLDCM调速系统的可行性。

在该调速系统的基础上加入位置反馈信号和相应的校准环节后, 可实现以BLDCM为驱动元件的电动伺服机构的工程应用。

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An Improved Speed Governing Circuit for Brushless DC Motor

CUI Jian

(Military Representative Office, Stationed in Xi′an Dongfeng Instrument Factory, Xi′an 710065, China )

To enhance the reliability of motor, a new pulse widthmodulation (PWM)circuit for speed governing is designed via analyzing the speed governing principle of brushless DC motor (BLDCM) and improving the PWM circuit for traditional speed governing system of brush DC motor. This new circuit makes use of single supply to overcome the influence of asymmetric dual supply on speed governing pulse width. The experimental results show that the new circuit is of less parts, better controllability, higher precision, and stable output with loose supply voltage requirement. The improved speed governing circuit can be extensivelyapplied to measurement,communication, power control and conversion, etc.

brushless DC motor (BLDCM); speed governing; pulse width modulation (PMW)

TJ630.32; TM33

A

1673-1948(2011)03-0218-03

2010-12-14;

2011-03-14.

崔 健(1977-), 男, 硕士, 主要研究方向为电力电子与电气传动.

(责任编辑: 陈 曦)