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使用DSP提高直流无刷电机的控制效率
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2008-11-11
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使用DSP提高直流无刷电机的控制效率 介绍了如何提高 BLDC电机的运行效率,使用DSP
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数字信号控制器(DSC)
提高直流无刷电机(BLDC)的控制效率
第一章 直流无刷电机概述
1-1 直流无刷电机的特点
我们知道,传统的有刷直流电机是由永磁同步电机本体、机械电刷、机械式换相器三
部分组成的。直流无刷电机(以下简称 BLDC 电机)是在有刷直流电机的基础上发展而来
的。直流无刷电机中,永磁同步电机本体部分变化最大:绕组变成了定子,永磁体变成了
转子,与有刷直流电机正好相反;另外,非接触式的电磁、光电位置传感器替代了机械电
刷;受控的电子式换相器替代了非受控的机械式换相器。
BLDC 电机因其启动力矩大,结构简单,功率体积比大,调速范围宽等优点而在电气
传动中得到了广泛的应用。是在直流有刷电机的基础上发展而来的。一般来讲,它以非接
触式的电磁、光电位置传感器替代了机械电刷,以受控的电子式换相器替代了非受控的机
械式换相器。减少了直流有刷电机换向时所带来的噪声、火花、无线电干扰等缺点,同时
延长了电机的使用寿命。
BLDC 转子的位置信号经位置传感器送到控制器,由控制器(MCU)进行逻辑处理
(比如 PID、FOC 等算法)后产生相应的开关状态,以一定顺序触发逆变器中的功率器件,
将电源功率一定逻辑关系分配给电机定子各绕组,使电机产生持续不断的转矩。
直流无刷电机的转子多采用具有高剩余磁感应强度和大矫顽力的钐钴合金、钕铁硼等
稀土永磁材料作磁钢,定子多为集中整距绕组;转子位置检测器和逆变器代替了传统直流
电机的电刷和换向器:位置检测器提供电机转子的位置信号,在控制器中经过逻辑处理产
生相应的开关状态,以一定的顺序触发逆变器中的功率开关,在一个具有恒定磁通密度分
布的磁极下,保证电枢绕组中通入的电流空间分布波与气隙磁感应强度波的相对位置恒定
这样就可以产生与电枢电流的大小有关的恒定转矩。
现在 BLDC 广泛应用在家电、工业、玩具、汽车、航空、医疗等领域。很多应用里
DLDC 的速度越来越快,有些(比如牙医转、舵机、遥控模型等)高达数万转 RPM,这给
电子控制系统提出了挑战。在这些嵌入式领域里,要求控制芯片具有一些 DSP 功能同时具
备相应的外设和良好电磁兼容性。
针对这样的应用,Microchip 推出的数字信号控制器(DSC)非常适合于嵌入式控制
应用。芯片集成了位反转寻址、模数寻址、乘加指令、REPEAT 与 DO 指令等,极大方便
了控制算法的快速实现,同时芯片还具有强大的控制能力。
1-2 直流无刷电机的分类
我们知道,线圈切割磁力线时,线圈上会产生感应电动势。对于直流无刷电机,当电
机运转(转子旋转)时,相当于绕组(定子线圈)切割磁力线,绕组上会产生相应的感应
电动势。在电动机状态下,感应电动势部分抵消外加电压激励,感应电动势也称为反电动
势。
根据反电动势及驱动方式,可将直流无刷电机分为梯形波直流无刷电机与正弦波电机。
反 电 动 势 波 形 和 供 电 电 流 波 形 都 是 正 弦 波 的 电 机 , 称 为 正 弦 波 永 磁 同 步 电 机
(PMSM:Permant Mag Sys Motor)。一般情况下,正弦型永磁同步电机采用分布绕组,
而且在任意时刻三相都导通。此类永磁同步电机虽然控制较为复杂,但转矩脉动相对较小
定位准确,所以多用于伺服系统。
反电动势波形为梯形波的电机,通常又称为直流无刷电机(BLDCM)或方波电机
(Trapezoidal BLDC)。
方波电机的驱动方式以恒流式最为普遍,近似正弦波的电流驱动方式在某些特定场合
也有应用。以近似正弦波的电流来驱动方波电机时,系统某些方面的性能有一定程度的改
善,但控制算法的复杂及成本的增加限制了它的应用范围。对于方波电机,以改进后的恒
流驱动方式可以达到与正弦波驱动方式几乎相同的效果。
反电势波形为梯形波的电机,为无位置传感器的控制方法提供了便利条件。虽然这种
类型的直流无刷电机转矩脉动较大,且位置定位不准确;但反馈装置简单,控制简便,易
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mark65535
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