稀土永磁无刷直流电机正_反转过渡过程分析

个过渡过程, 反向起动过程的转速和转矩过渡方程
式中, S 1=
1 2
1- 4 , 系数 c1 、c2、c3 和 c4 由初始条 m
件确定。式( 8) 分别表示电枢电流和转速的动态变化
过程, 在变化过程中电源电压维持不变。
电机的正/ 反转过渡过程可分为两个阶段。首先
是反接制动过渡过程。结合图 4( a) 把初始条件: t=
0 引 言
目前, 电动舵机系统的原电动机大多数是有刷 直流电动机, 可靠性低、维修不方便、噪声大、动态响 应慢, 制约了舵机系统综合性能的提高。稀土永磁无 刷直流电动机( REP M BL DCM ) 是随电力电子器件 及新型永磁材料发展而迅速成熟起来的一种新型机 电一体化电机, 它克服了有刷直流电机机械换向所 带来的缺点, 又保持了有刷直流电机调速方便的优 良特性, 特别是稀土永磁材料在这类电机中的应用, 使得这类电机体积小、重量轻、动态性能得到改善, 并具有功率密度高、特性好、无换向电火花及无线电 干扰等优点, 特别适用于舵机系统的高性能调速等 伺服驱动场合[ 1] 。
转速等于 nB 时对应的转矩, T B 为反抗性恒负载转 矩。忽略电枢绕组回路电感时, 可解得近似制动停车 时间
方程
i=
( c1 e- + s1t
c2es1t
)
e
2
T
+
IL
n=
( c3e - + s1t
c4es1t
)
-
e2
t
+
nL
ts=
m 1n
nB- nL - nL
( 10)
( 8)
制动停车之后, 紧接着电机反向起动, 这又是一
在每个导通时间内的电压平衡方程式
U= E+ 2r I + 2L
dI dt
( 1)
式中, U 为电源电压( V) ; E 为电枢感应电动势( V) ;
r 为定子相绕组电阻; I 为定子相绕组电流( A) ; L
= L - M, 其中 L 为每相绕组的自感, M 为每相绕组
的互感。电枢感应电势:
E = 2E = Ce n
2J r / CeCt 2 为机电时间常数, I L = T L/ Ce 为负载 特性曲线的交点, T A 为当反接制动机械特性曲线的
稳态电枢电流, nL = U / Ce - 2r / CeCt 2 T L 为负载 稳态转速。由于方程较复杂, 忽略粘滞擦系数, 即 B = 0, 求解微分程式( 7) , 解得反转的电流、转速过渡
电角度; 第二种是通过逻辑电路, 改变逆变器开关管
按照如表 1 所示两相导通星形三相六状态的正
的逻辑关系, 使定子绕组各相导通顺序改变。比较两 / 反转逻辑关系[ 3] , 可以实现电机合成转矩矢量按顺
种方法, 第一种比较复杂, 成本较高, 在使用中很少 时针或逆时针方向旋转, 从而实现电机的正/ 反转,
应电势 E 与转速 n 成正比, 电磁转矩 T e 与磁通 和电流 I 幅值成正比, 所以和普通有刷直流电机均 具有优良的调速特性。
3 正反/ 反转过渡过程
永磁无刷直流电机正/ 反转可通过改变换向逻
稀土永磁无刷直流电 机正/ 反转过渡过程分析 杨平 马瑞卿 张云安
辑关系实现。无论霍尔元件信号在哪种状态, 正/ 反 转过渡过程都具有相同的电流、转速过渡方程, 所以 仅以其中一个霍尔信号状态分析。
( 2)
式中, E 为每 相绕组感应电势: Ce 为电势常数; 为方波气隙磁感应强度对应的每极磁通; n 为电机 转速。
电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场与的反电势梯形波与相电流方波
永磁磁场相互作用而产生。电磁转矩方程:
T e= CT I
( 3)
式中, T e 为电磁转矩; CT 为转矩常数。
本文根据方波永磁无刷直流电动机的数学模型 及机械特性, 对三相桥式场效应管逆变器( 参见图 3) 驱动的电动机, 在驱动反抗性恒转矩负载时的工 况进行了正反过渡过程进行分析。当转子在不同的 位置状态下, 根据相应场效应管的导通与关断状态, 分析了逆变器的电流回路变化, 进而得到电机电枢 合成电磁转矩, 然后根据电 动机的正/ 反 转运行特 点, 将过渡过程分成反接制动与反向起动, 分别求得 其动态方程, 最后对电动机正/ 反转过程的影响参数 的进行讨论, 同时对系统暂态过程进行了 M atlab 计 算机仿真。实验表明该分析的正确性与实用性。
1 正/ 反转控制的实现方法
从一般电机的原理可知, 当定子磁场相相对原 转子磁场旋转 180°电角度时, 电机可实现反转, 所 以改变永磁无刷直流电机转向的方法有两种: 第一 种是将位置传感器的位置相对定子绕组移动 180°
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微电机 2005 年 第 38 卷 第 3 期( 总第 144 期)
在考虑电枢绕组回路电感时, 永磁无刷直流电 机的正/ 反转过渡过程相当于二阶微分方程描述的 两个惯性环节, 过渡过程经过反接制动停车、接着进 行反向起动的运行过程, 以达到迅速制动并反转的 目的[ 2, 6] 。
假设霍尔元件 HA、HB 不受磁场作用, 低电平 输出, HA= H B= 0, 霍尔元件 HC 受磁场作用, 有高 电平输出, HC= 1, 在此状态, 电机运行方向为正转, V 1、V 6 管导通, 其它开关管关断, 即 A B 绕组导通。 当控制系统接收到反转信号之后, 根据与有刷直流 电机反转过程相似的正/ 反转逻辑关系, V 1、V 6 管关 断, V 3、V 4 管导通, 即 BA 绕组导通, 其正/ 反转过程 电流回路如图 3 所示。
d 2i dt 2
+
( 1+
B J
)
di dt
+
(
1+ m
r L
B J
)i
=
(
1m
BU 2L J
)
I
L
d 2n d t2
+
(
1+
B J
)
ddnt +
(
1+ m
r L
B J
)
n=
(
1m
BU 2L J
)
n
L
( 7)
式 中, = L / r 为 电 枢回 路 电 磁时 间 常 数, m = nL 为反接制动机械特性曲线与 n 0 时的负载转矩
稀土永磁无刷直流电 机正/ 反转过渡过程分析 杨平 马瑞卿 张云安
伺服控制·SERVO TECHNIQUE
稀土永磁无刷直流电机正/ 反转过渡过程分析
杨平, 马瑞卿, 张云安
( 西北工业大学, 西安 710072)
摘 要: 稀土永磁无刷直流电机正/ 反转的实现不同于 其它电机。为了缩短正/ 反转过渡过 程时间, 减小过渡过程中 能量损耗, 提高效率, 本文针对电 动舵机系统 的方波永磁 无刷直流 电机正/ 反 转的实现 方法进行祥 细分析, 并根据 电机的基 本公式, 解 得正/ 反 转过渡过程 的转矩、转速动态 方程, 然后利用 M atlab 进行 仿真, 通 过实验验 证了分析 的正确性与实用性。 关键词: 无刷直流电动机( BLD CM ) ; 过渡过程; 正/ 反转; 仿真 中图分类号: T M 361 文献标识码: A 文章编号: 1001- 6848( 2005) 03- 0045- 04
以两相导通星形三相六状态为例, 分析气隙激 磁磁场为方波、反电势为波顶宽度大于 120°电角度 的梯形波永磁无刷直流电机的数学模型及电磁转矩 等特性, 其每相反电势及电流波形如图 2 所示。为了 便于分析, 假定三相绕组完全对称, 忽略电枢反应的 影响及开关管的饱和压降, 电枢绕组在定子内表面 均 匀连 续 分布, 磁 路不 饱 和, 不计 涡 流和 磁 滞损 耗[ 3, 5] 。
0 时, n= nB; t = 10 m 时, n≈nL 代 入式( 8) , 再结合
( 4) 式可解出制动过程转速、转矩过渡方程式( 9) 。
n=
S2 ( nL-
nB) ( e + + s1t
导通功率管 V1 V6 V1 V2 V3 V2 V3 V4 V5 V4 V5 V6
逆时针转 绕组导通电流方向
B→A C→A C→B A →B A →C B→C
导通功率管 V3 V4 V5 V4 V5 V6 V1 V6 V1 V2 V3 V2
图 1 Y 连接绕组两两导通的正/ 反转合成转矩向量图
2 电机数学模型
Analysis of the Transient Process of Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor YANG Ping, M A Rui- qing, Z HANG Yun- an
( N or thwester n Po ly technical U niv ersit y, Xi'an 710072, China) Abstract: T he metho d of the for war d/ r ever sal r ot atio n of R are Earth Per manent M ag net Br ushless DC M o tor ( BL DCM ) is differ ent fro m other moto rs. Fo r r educing t he t ransient tim e a nd energ y dissipatio n, impro ving efficiency, the paper analyzes in detail the reality of the for war d/ r ever sa l r otat ion of t he squar e w ave BL DCM , w hich is used in actuator . A ccor ding the basic for mula o f ma thematical m odel, the t ransient equations o f t or que and velocity ar e so lv ed, which ar e simulat ed by t he so ftw are o f M atlab. T he r esulting ver ifies the r easonability and validity of t he co nclusion. Key words: Br ushless D C M oto r ( BL DCM ) ; T ransient pr ocess; Fo rw ar d/ Rev ersal ro tatio n; Simulatio n