本节将分析讨论无刷直流永磁电动机的一个具体例子,以便更好地理解霍尔转子位置传感器在无刷直流永磁电动机中所起的作用。
本例子中的霍尔转子位置传感器采用三个霍尔器件,它们沿定子圆周可以相互间隔60°电角配置,也可以相互间隔120°电角配置,本例子是相互间隔60°电角配置的。
图1.30是无刷直流永动电动机的控制框图。图13l给出了“二相导通星形三相六状态”
无刷直流永磁电动机中霍尔器件的输出信号、反电动势和相电流之间的相互关系,显示了霍尔转子位置传感器的六个开关状态与电动机运行过程中的六个磁状态的一致性。每旋转60°电度角,就有一个霍尔器件改变其状态,逆变器内与之相对应的某一相的开关状态也将更新变化一次,这样开关状态变化六次(或称六步)就完成一个电气周转。一个电气周转内开关状态的变化次数可以用s来标记。如果一台电动机的磁极数2P=4,额定转速Nh=3000rAnin,我们把电动机正常运行时逆变器内开关状态每秒钟变化的次数称之为无刷直流永磁电动机的频率Fm,则Fm可以按下式计算
图1.30中的逆变器是由六个BG1至BG6的功率开关器件所组成的桥式电路。根据电动机的电压和电流的额定值,功率开关器件可以选用MOSFES或者IGBTs,或者选用一般的双极性功率晶体管。
表1 .14和表1.15分别列出了电动机顺时针和逆时针方向旋转时,霍尔转子位置传感器输出的A、B和c三个信号与六个功率开关器件的开关顺序之间的关系。霍尔转子位置传感器输出的A、B和c三个信号馈送至PIC18FXX31微控制器,作为PIcl8FGX31微控制器的输入信号。然后,PICI8FXX31微控制器根据表1.14和表1.15所规定的驱动顺序定义(协议),对逆变器中六个功率开关器件的导通和截止状态进行控制。
在图1-30所示的无刷直流永动电动机的控制框图中,如果由PWMl至PWM6标记的六根信号线传送的不是脉宽调制PWM信号,面是按照表1.14和表1.15所规定的驱动顺序定义(协议)传送的只是导通和截止的高低电平,电动机将在额定速度上运行。这时,直流母线电压等于电动机的额定电压和导通功率开关器件的压降之和。为了改变速度,这些被传送的信号必须是在一个比电动机频率厶高很多的频率上进行脉宽调制(PWM)的信号。根据经验,脉宽调制PWM的频率至少是电动机****频率的lO倍。当PWM的占空度在导通顺序区段内变小时,供给电动机定的平均电压就减小,电动机的速度就下降;反之,当PwM的占空度在导通顺序区段内变大时,供给电动机定的平均电压就增加,电动机的速度就升降。 采用PWM信号的另一个优点是,当直流母线电压比电动机的额定电压高很多的情况下,可以把PWM信号的占空度限止在与电动机的额定电压值相等效的百分比上,并借此来控制电动机。这样,增加了控制器能与具有不同额定电压的电动机配合使用的灵活性,借助调节PWM信号的占空度可以使控制器输出的平均电压与电动机的额定电压相匹配。 逆变器的控制方法有多种。一般情况下,逆变器内的六个功率开关器件都接受PWM信号的控制,如图1132(a)所示。如果PWM信号在微控制器中在数量上受到限止,不能同时提供六路PWM信号的情况下,则逆变器内上边的功率开关器件BG1、BG3和BG5可以在相应顺序的整个导通区间内完全被接通,而逆变器内下边的功率开关器件BG4、BG6和BG2仍按照导通顺序接受具有一定占空度的PWM信号的控制,如图1.32(b)所示。
同时,PICl8FXX31微控制器内的一个计数器,我们可以利用它来计算霍尔转速。
子位置传感两次相邻输出信号电平跳变之间的时间间隔。根据这个时间间隔可以计算出电动机的实际速度,进而可以求出电动机的实际速度与设定的参考速度之间的误差。然后,利用一个比例积分/微分(PID)控制器来放大这个速度误差,并能在动态过程中调节PWM信号的占空度,从而实现电动机转速的闭环控制。
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