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无刷电机的变频器控制原理

电机在实际生活中应用十分广泛,在家用中大家熟知的冰箱、洗衣机、空调,在办公自动化方面的打印机、复印机、扫描仪等。在以前的电机应用中,交流感应电机占有最重要的地位和最广泛的应用,它结构简单,运行可靠,但是效率偏低,尤其是在家电行业使用的低功率电机。


进入21世纪,电机控制技术的进步以及环境保护的需求,促使永磁直流无刷电机控制技术逐渐成熟,无刷电机较有刷电机有更加广泛的应用,能满足更多操控性复杂产品的需求,广泛应用于家电、工业控制,特点是高效率、操控性能优良。


什么是无刷电机?


直流无刷电机与直流有刷电机,最大的区别在于电机换向机构的不同,从电刷换向机构转变为半导体换向元件,将电刷与整流子置换为变频器电路。由于半导体换向元件没有机械磨损,和因机械磨损而产生的噪声,大大增加了控制的灵活性,便于先进电机控制技术的发展和应用。它们两者的结构如下图所示。


无刷DC电机与永久磁铁同步(PMSM)电机基本上具有相同的构造,无刷电机是一种采用永久磁铁为转子(旋转)、线圈为定子(固定)的构造,切换线圈电流的流向与电机的旋转相结合的电机。电机通过外部变频器的控制,并于检测出转子旋转位置的位置检测电路,和变频器配套使用。


直流无刷电机控制电路需要定位电机转子的位置,从而精确的控制电机达到高效率、低噪声、迅速响应的效果。位置检测方法主要有下面几种:


霍尔传感器检测


利用霍尔元件检测由永久磁铁制成的转子的磁场变化来检测转子的位置,这种方法稳定可靠,但精度较低。


感应电压检测


利用转子旋转产生的感应电压的变化来检测转子的位置,这是检测无传感器由电机位置的方法之一,这种方法在电机停止的时候无法检测电机转子的位置。


电流检测


电流检测方法属于软件算法类,需要微处理器具有强大的运算能力。


无刷电机的结构原理


电机是通过磁场同极相斥、异极相吸的作用,进行旋转。利用该作用,改变定子上缠绕线圈电流的流向,就改变了定子的磁场方向,从而驱动转子(附带永久磁铁)进行旋转。电机如果施加电压,则会根据电压的极性进行正转或反转,转速与电压成比例进行变化。


无刷直流电机则是利用变频器控制电流,改变流向线圈电流的方向,从而改变定子的磁力方向,产生推动力,驱动转子旋转。


无刷电机除了上面的内转子型,还有很多种类。直流电机结构设计是复杂的机电一体化工程,本篇简单介绍电机的实际结构。上面所用的直流电机,转子是采用永磁体,极数是2的倍数,而如果是三相电机,定子的槽数就是3的倍数。比如,通常空调电机会采用12槽8极的电机,槽口极数越多,电机的磁链就越复杂。电机的极对数越多,运转越平稳。


无刷电机的驱动原理


一般而言,无刷电机是利用控制电路(微处理器)、微处理器程序、变频器电路、电机、位置传感器配套进行驱动。


什么是PWM?


电机是典型的电感性负载,而脉宽调制的控制方式能够满足电机驱动的控制需求。对应电机运行的不同速度需求,脉宽调制的频率,一般选择20KHz及以上,能够回避人能够听到的极限频率。对应不同电机的最高转速从低到高,脉宽调制的频率同样需要从低到高的调整。


什么是变频器?


变频器是使用半导体器件的功率转换装置之一,将直流转换为交流的装置称为DC-AC变频器。一般来说,将交流变为直流的AC-DC整流器,与DC-AC变频器组合,转换为任意频率与电压的电路称为变频器电路(变频器)。


什么是驱动器?


直流电机的驱动器,从应用角度有很多种控制方式,但是基本的功率驱动部分变化不大。电机驱动器是指驱动电机的变频器电路的半导体元器件,主要由功率电子元件和二极管构成的三相全桥电路,功率电子元件使用晶体管、FET、IGBT等元件。实际应用中,需要满足电机工作和调速的要求,通常需要高耐压、大电流。东芝有相应的单片集成功率电路,能够适应小型电机的驱动需求。


矩形波驱动


矩形波驱动又叫方波驱动,流过电机的电流是类似梯形的波形,是一种最简单的驱动方法,控制相对简单,成本低。其根据转子的旋转角度切换功率电子元件的ON/OFF状态,从而改变定子线圈的电流方向来驱动转子旋转。


方波驱动的换相角是120度,存在较大的转矩波动,同时流过电机的电流有较大的尖峰及脉冲。因此,方波驱动的噪声较正弦波驱动大,效率低。


正弦波驱动


正弦波驱动是一种根据转子的旋转角度,连续地将定子线圈的电压转换为正弦波来驱动转子旋转的方法,是现在主流的三相直流无刷电机驱动方式。


正弦波驱动与矩形波驱动相比,正弦波驱动不仅具有效率高,还具有低振动、低噪声的有点。在控制方面需要检测转子的位置,实时地推测转子位置,输出符合转子位置的正弦波电压。


电机驱动解决方案


正弦波驱动方案,是通过霍尔信号产生马鞍形的调制波,控制驱动电路实现电机的正弦波电流,在家电行业广泛应用,可提升电机整体效率,还有抑制噪声。目前可用于对噪声要求较高的应用中,如电风扇、空气净化器等方面有广泛应用。 


 

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