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无刷无槽直流永磁电动机驱动器技术详解

   日期:2013-03-23     来源:工控之家网    作者:工控之家    浏览:33    评论:0    
    无刷无槽直流永磁电动机是机电一体化产品,必须配备专门的驱动器才能使电机(一般多为星形接法)正常运转。驱动器属于交-直-交或直-交变换系统,可以将该系统分为控制电路(包含保护电路和位置传感电路)、驱动电路(主要指功率放大电路)、电源电路(包含(整流)滤波电路和供给系统用电的电源电路)。系统框图如下图。
系统框图

控制电路:
    控制电路通过控制驱动电路中的功率器件(常用MOSFET、IPM等),来控制无刷直流电动机的起停、转向、刹车、转速等功能,并可以实现过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路,控制比较简单,实时性好。如果将控制电路数字化,许多硬件工作可以直接由软件完成,可以减少硬件电路,提高其可靠性;可以提高控制电路抗干扰的能力;还可以提供智能化接口、丰富的控制功能及其联动动作,以适应不同用户的要求,提高产品对市场的适应性。目前,控制电路一般有ASIC专用集成电路、MCU单片机和DSP数字信号处理器等三种组成形式。对电机控制要求不高的场合,由专用集成电路组成控制电路是简单实用的方法;而数字信号处理器运算速度快,外围电路少,系统组成简单,性能大大改进,有利于驱动器的小型化和智能化,适合较为复杂的控制要求,但其成本较高;单片机方案完全可以替代专用集成电路的所有功能,兼有数字化的性能,外围电路也比较少,成本不是很高,因此有很大的应用前景。

    控制电路中的保护电路可以实现过流、过压、过热等保护功能,电路一般由硬件实现,也可以结合软件来实现;现在的智能功率模块(IPM)也已经集成了部分保护电路。

    位置传感电路现在多使用霍尔传感器电路,驱动器只需提供相应电路,霍尔传感器即可输出电机转子的位置信号。因霍尔传感器体积较小,价格日益便宜,使用环境宽松,不像光电传感器会因环境粉尘而影响其工作,因而得到广泛使用。随着无刷直流永磁电动机的进一步发展,出现了无位置传感器驱动器。它是检测电机绕组的反电势来获得转子的位置信号,这样简化了电机结构,给电机加工带来了方便。因其在负载启动和低速运行时,还存在一定的问题,这种驱动器只在对电机体积有非常严格要求、起停不是很频繁、负载稳定、对可靠性要求不是很高的场合使用。

驱动电路:
    驱动电路是交-直-交或直-交变换系统的重要组成部分。它受控于控制电路,将直流电变换为三相交流电,驱动电机的电枢绕组,电枢绕组与转子永磁体相互作用,使转子旋转,将电能转化为机械能。驱动电路由功率器件和预驱动电路组成。功率器件目前应用较多的主要有金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和智能功率模块(IPM),三极管因影响系统效率而很少被采用。预驱动电路可以用分立元件组成,现在也有很多厂家生产的集成芯片供设计选用。驱动电路多工作在开关状态,这样采用脉宽调制(PWM)方式可以方便的实现对电机的调速、限流、转矩调节等功能。随着半导体产业的飞速发展,很多大的半导体公司都将功率器件、预驱动电路和保护电路集成在一起,为驱动电路实现模块化、智能化、高频化、小型化创造了良好的条件。

滤波电路:
    (整流)滤波电路是将交流电整流为直流电,或者直接对输入的直流电进行滤波,并对驱动电路的功率器件提供换能时的充放电。它是交-直-交或直-交变换系统主电路的主要组成部分。目前很多产品在这一部分都增加了共模电感、XY电容、平波电感等,以降低EMI干扰、提高功率因素。

电源电路:
    电源电路是将滤波后的直流电转换为低压直流电,供控制电路和驱动电路使用。现在大多数的无刷驱动器产品都使用集成开关电源,有很多公司的多种产品供设计选用;也有少数低压无刷驱动器产品采用三端稳压器和三极管降压来实现。

    无刷无槽直流永磁电动机与一般的无刷直流永磁电动机在结构上有很大的区别,这使其具有电感小、机电时间常数小、低速特性好、扭矩大、力矩波动小、过载能力强、效率高等特点,因而与其配套得驱动器必须做好相应的控制和保护措施。

 
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