无刷直流电动机调速的实现

无刷直流电动机调速的实现郭宇飞1, 姚 猛2(1.中国电子科技集团公司第41研究所,安徽蚌埠 233006;2.安徽中烟工业公司蚌埠卷烟厂,安徽蚌埠 233006)摘 要:通过描述脉宽调制(P WM)的原理和U C3637的应用,介绍了一种无刷直流电动机调速的方法。

经验证,该方法控制效果良好。

关键词:无刷直流电机;脉宽调制;调速中图分类号:TM33 文献标识码:A 文章编号:1673-6540(2009)09-0013-04I mp l e m enti ng of B rushless DC M otor Speed R egulationGUO Yu-fei1, Y AO M eng2(1.The41st I nstit u te of Ch i n a E lectr onics Techno l o gy Group Corporati o n,B anbu233006,China;2.Banbu C i g arette Factory,AnhuiTobacco I ndustry Co.,Banbu233006,Ch i n a)Abstrac t:By descr i bing the princ i p l e of pu l se w idt h m odulation and the app licati on o f U C3637,a me t hod o f brush l ess DC m otor driv i ng i s i ntroduced.K ey word s:brush less DC mo tor;pu lse w id th m odu lati on(P WM);speed regulation0 引 言无刷直流电动机工作在由位置检测器控制逆变器开关通断的 自控式 工作方式下,逆变器的换相通过与电动机同轴的旋转变压器检测转子转角而完成。

要控制电动机的转速就要调节逆变器输入端的直流侧电压。

在众多调节直流电压的方法中,选用了脉宽调制(P WM)方式,其优越性在于:(1)主电路线路简单,需要的功率元件少;(2)开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗和发热较小;(3)低速性能好,稳速精度高,调速范围宽;(4)系统频带宽,快速响应性能好,动态抗扰能力强;(5)主电路元件工作在开关状态,导通损耗小,装置效率较高;(6)直流电源采用不控三相整流时,电网功率因数高。

下文对P WM 原理和实现方法予以说明。

1 P WM原理简介图1绘出了无刷直流电动机P WM的电路原理图。

无刷直流电动机使用二相导通星形三相六状态的工作模式。

每个状态下只有二相绕组在工作,而对电机转速的调节正是通过调节这二相绕组两端输入直流电压的大小而实现的,其调节方法类似于有刷直流电动机的双极式P WM方式。

现假设无刷直流电动机工作于A、B二相绕组, Q1、Q3、Q4、Q6四个电力场效应管的门极驱动电压分为两组。

Q1和Q6同时导通和关断,其驱动电压U g1=U g6;Q3和Q4同时动作,其驱动电压(U g3 =U g4=-U g1)波形如图2(a)所示。

图1 无刷直流电动机P WM电路在一个开关周期内,当0 t t on时,U g1和U g6为1,场效应管Q1和Q6导通;而U g3和U g4为0,Q3和Q4关断。

这时,+U s加在AB两端,U A B=U s,电枢电流流向为+U s Q1 A相绕组 B相绕组13Q 6 -U s 。

当t on t T 时,U g1和U g6为0,Q 1和Q 6关断;U g3和U g4为1,Q 3和Q 4导通,在电枢电感释放储能的情况下,电枢电流流向为-U s Q 4 A 相绕组 B 相绕组 Q 3 +U s 。

此时,U A B =-U s 。

U AB 在一个周期内正负相间,这是双极式P WM 逆变器的特征,U A B 端电压如图2(b)所示。

U AB 端电压的平均值为: U AB =t on T U s -T -t onTU s =2t onT-1Us (1)(a)门极驱动电压(b)AB 端电压图2 电压波形以 =U A B /U s 来定义P WM 电压占空比,则=2t on /T -1。

调速时, 的变化范围为-1 1。

当 为正值时,U AB 为正,电动机正转,且随着 的增大,U AB 变大,转速增加; 为负值时,U A B 为负,电动机反转,且随着 的减小,U A B 绝对值变大,转速增加; =0时,电动机停止。

在 =0时,虽然电动机不动,但电枢两端的瞬时电压和瞬时电流均不为零,而是交变的。

这个交变电流平均值为零,不产生平均转矩,但增大电机的损耗。

其好处是使电动机带有高频微振,起着所谓的 动力润滑 作用,消除正、反向时的静摩擦死区。

2 P WM 的实现采用UC3637双P WM 输出调制芯片作为实现的手段。

UC3637是一种设计用于需要双向驱动电路的P WM 型电机驱动的P WM 单片电路。

作为常规驱动控制芯片的替换,这种电路能增加效率并减少元器件成本。

速度误差调制信号送入该集成电路后,形成两路互补型双向脉宽输出,这两路输出信号与误差调制信号的幅值成正比,且与极性相关,因此可构成双向的调速系统。

2.1 UC3637的原理框图及其在系统中的接线UC3637的原理框图如图3所示,其应用电路如图4所示。

图3 UC3637的原理框图2.2 原理分析2.2.1 载波的形成如图4所示,在正电源+V s 和负电源-V s 之间串联电阻R 1、R 2、R 3,两分压点分别接+V th (1脚)和-V th (3脚),作为形成载波的阈值电压。

设计R 1=R 2=R 3,故两阈值电压分别为:+V th =V s -R 1R 1+R 2+R 3[V s -(-V s )]=14V s-R1R1+R1+R12V s=13V s(2)图4 UC3637应用电路-V th=-V s+R3R1+R2+R3[V s-(-V s)]=-V s+R3R3+R3+R32V s=-13V s(3)18脚接电阻R T,如图4所示,阈值电压+V th通过内部缓冲电路与R T作用设置电容充放电的恒流,且其值为:I s=+V th-(-V s)R T=13V s-(-V s)R T=43V sR T(4)2脚接电容C t,通过其线性充放电产生了三角载波,具体过程为:联合图3、4,芯片刚加电时,C t上端电压V1为0V。

图3中,比较器A1的反相输入端+V th为(1/3)V s;比较器A2的同相输入端-V th为(-1/3)V s,故比较器A1、A2的输出均为 0 ,RS触发器D1的输出Q为 0 ,开关K打开,C t以恒流I s充电,其充电过程中的端电压为:V1=I sC tt=43V sR T C tt(5)当C t端电压V1充电至+V th后,比较器A1翻转为1,比较器A2仍为0,则RS触发器D1翻转为1,K闭合,C t以恒流I s放电并反向充电,过程中的端电压为:V1=13V s-I sC tt=13V s-43V sR T C tt(6)当端电压V1为-V th后,比较器A1为0,A2翻转为1,则RS触发器D1翻转为0,K打开,C t以恒流I s放电并反向充电,过程中的端电压为:V1=-13V s+I sC tt=-13V s+43V sR T C tt(7)当端电压V1为+V th后,RS触发器D1的状态再次翻转,重复以上的充放电过程。

这样,电容C t上便形成了三角载波,其波形如图5所示。

图5 RS触发器D1充放电波形2.2.2 P WM波的调制如图3、4所示,比较器A3的-A in(10脚)和比较器A4的+B in(8脚)连接至2脚,得到三角载波输入。

外接调制电压V c经电阻R4、R7分别接 V s,并从+A in(11脚)输入-V R,从-B in(9脚)输入+V R,设计R4=R7,R5=R6,则:+V R=V s-R4R4+R5(V s-V c)=R5R4+R5V s+R4R4+R5V c(8)-V R=-V s+R7R6+R7(V c+V s)=-R6R6+R7V s+R7R6+R7V c=-R5R4+R5V s+R4R4+R5V c(9)此时,比较器A5的同相输入端为V s-2.5>0,A5的反相输入端Shutdown(14脚)接地,故A5的输出为1。

比较器A6的反相输入端-C/L(13脚)为200mV,A6的同相输入端+C/L(12脚)接地,故A6的输出为0,RS触发器D2、D3不复位,这样 与 门D4、D5被打开,比较器A3、A4的调制结果可分别送至A out(4脚)和B ou t(7脚)输出,形成P WM波。

根据式(8)、(9),可对调制波形进行如下几种情况的讨论。

(1)Vc=0时,+VR、-VR、Aout、Bou t的波形如图6所示。

此种情况下,一个周期内A out高电平的时间15与B ou t 高电平的时间相同,输入电动机的直流平均电压为0,电动机停止。

(2)V c >0时,+V R 、-V R 、A out 、B ou t 的波形如图7所示。

图6 V c =0时,+V R 、-V R 、A out 、B o ut波形图7 V c >0时,+V R 、-V R 、A out 、B o ut 波形此种情况下,一个周期内A out 高电平的时间大于B out 高电平的时间,输入电动机的直流平均电压为正,电动机正转。

随着V c 增大,+V R 和-V R 在波形图7中均要上移,不难看出,一个周期内A ou t 高电平的时间增加,B ou t 高电平的时间相应减少,输入电动机的直流平均电压增加,转速增大。

(3)V c <0时,+V R 、-V R 、A out 、B ou t 的波形如图8所示。

图8 V c <0时,+V R 、-V R 、A o ut 、B out 的波形此种情况下,一个周期内A out 高电平的时间小于B out 高电平的时间,输入电动机的直流平均电压为负,电动机反转。

随着V c 减小,+V R 和-V R 在波形图8中均要下移。

由图8分析可知:一个周期内A ou t 高电平的时间减少,B ou t 高电平的时间相应增加,输入电动机的直流平均电压绝对值增加,转速增加。

3 结 语通过分析不难看出无刷直流电动机采用P WM 进行调速,不仅硬件电路结构简单,有现成的集成电路可供采用,而且可靠性高。

此方法目前已应用于烟草卷烟包装机的拉带及铝箔纸展开电机的控制中,得到了良好的控制效果。

从长远角度看,此种调速方法已发展成为无刷直流电机的主流调速模式,有着广阔的应用前景。

参考文献[1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M ].北京:机械工业出版社,2000.[2] 孙建忠.特种电机及其控制[M ].北京:中国水利水电出版社,2005.收稿日期:2008-08-1916。