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達松伐爾型永磁無刷直流電機自起動技術

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:3388

 摘要:達松伐爾型永磁無刷直流電機本質上無起動轉矩。文章提出一種定相、牽引、自監視和自復位的解決方案,結合鑒相調寬型閉環控制線路,實現電機的自主可靠起動。

1引言

 采用達松伐爾型結構的永磁直流電動機性能優越。由于沒有換向器和電刷組成的機械接觸裝置,所以沒有換向火花,無干擾和污染,壽命長,同時調速方便;轉子為永磁體,無勵磁損耗;定子無鐵心,無磁滯損耗和渦流損耗,僅存在定子繞組的銅耗;無鐵心電樞的導體位于工作氣隙中,消除了由于齒槽效應引起的轉矩波動,同時,外轉子結構增大了轉子的轉動慣量,平滑了轉矩波動引起的轉速波動;利用電樞繞組兼作轉子位置傳感器,采用反電勢換相,簡化了電機結構,提高了可靠性。因而該型電機被廣泛應用于家用電器、儀器儀表等產品。

   然而,由于必須借助反電勢換向,在起動時,反電勢尚未形成或者很弱,不能作為換向基準,導致該型電機起

動困難。解決此問題的方法是采用盲起動,即在起動瞬間任意給出一加電相位推動轉子旋轉,反電勢一經形成即可依靠閉環回路實現起動。隨之而來的問題是,一方面,某些特定相數和極對數的電機存在死區,轉子不能被任意的電相位所推動;另一方面,轉子可能被反向推動。均導致起動失敗。兩步順序起動的方法,即根據所需旋轉方向先后給出相鄰加電相位,仍不能完全解決這一問題??煽科饎訂栴}限制了該型電機在某些可靠性要求嚴格或無監控設備的場合的應用,如軍用設備、航天領域等。

   為發揮達松伐爾型永磁直流電機的優點以改善某軍用儀表的性能,作者在研制該型電機的驅動與控制電路時,致力于解決其可靠起動問題,通過定相、牽引、自監視與自復位,結合鑒相調寬型閉環控制線路,實現了該型電機的自主可靠起動。

2驅動與控制

   系統不僅要求驅動電路杜絕起動失敗的可能,而且要求電機轉速穩定度達到10,同時能在其額定轉速±10%范圍內微調,調速步長小于1 r/min。作者通過頻率細分、鑒相調寬、起動檢測和自復位實現所需功能和性能。圖1為驅動與控制電路的組成框圖。

    圖l  電機驅動與控制電路框圖

   頻率設定電路根據所要求的電機轉速輸出頻率高度穩定的脈沖信號作為電機速度脈沖的基準,其頻率穩定度同晶體振蕩器;同時用十六位同步分頻器進行頻率微調,以微調電機轉速,實現主體儀表的速度調諧。

   鑒相調寬電路保證電機速度脈沖頻率與設定頻率相同。對于頻率來說,鑒相器為一無差系統,理論上能使電機的速度穩定度達到晶體振蕩器的頻率穩定度。

   電子換相電路按照電機轉動方向所對應的相序依次給出各相加電脈沖,其寬度取決于頻率設定電路輸出脈沖與電機速度脈沖之問的相位差,決定了饋給電機的電功率。

功放電路用于提高和放大加至電機的電壓和電流,使電機獲得足夠的電功率。

通過反電勢檢測可確定電機電樞繞組與轉子磁極的相對位置,從而決定通電繞組和通電方向,保證電機按照預定的方向旋轉。反電勢檢測電路替代了一般直流無刷電機中的位置傳感器,簡化了電機結構并提高了可靠性。

由于電機轉子磁極對數一定,電樞繞組反電勢的頻率嚴格反映了電機轉速。速度脈沖形成電路將各相繞組的反電勢脈沖倍頻并進行邏輯或,不僅獲得了電機的實際轉速,而且提高了測速精度,有利于提高電機的轉速穩定性。速度脈沖一方面作為速度反饋送至鑒相器實現速度閉環控制,另一方面經變換供起動檢測電路監視起動過程。

3定相與變頻牽引

 電機難以可靠起動的根本原因在于無反電勢時閉環線路不能形成正確的加電脈沖,定相與變頻牽引的本質是在起動初期人為地產生加電脈沖,并使其頻率按設定規律變化,此規律盡量接近于正常起動時反電勢的頻率變化規律。實際工作時,由于此過程的持續時間較短,對兩規律的一致性要求并不苛刻。其實現方法參見圖2。其中分頻分相電路將輸入脈沖六分頻,并形成互差60°的三相六拍信號。該電路不僅能夠嚴格保證三者的相序,而且保證在任意情況下,其輸出均處于六拍之一(不會落入其它兩個無效狀態),并在輸入脈沖的作用下,由當前拍依次向后續拍變化。

 圖2 定相與變頻牽引原理圖

起動過程始于電容C開始充電之時,由此刻起經過時間t1信號S1跳高,再經過時間t信號S2跳高,調節比較器l和2的閾值可調節tl和t2的長度,即定相和變頻牽引的持續時間。壓控振蕩器輸出脈沖的頻率受電容電壓的控制,改變RC時間常數可調節頻率變化規律;S2跳高壓控振蕩器停振。

在時段tl內,S1、S2為低,雖然壓控振蕩器工作,但S1為低禁止二分頻器輸出,分頻分相器保持于上電時落

入的狀態(第一次起動)或上次輸入脈沖消失時所處的狀態(自復位電路動作后),控制邏輯按此狀態給出一加電相序并持續t1時長,在電磁力的作用下,轉子磁極與定子繞組的相對位置即確定,實現定相。

 在時段t2內,S1高S2低,S1允許二分頻器輸出,分頻分相器自定相過程所處的狀態(拍)起依次輸出后續拍,相應地控制邏輯按預定轉向依次給出后續加電相序,轉子被牽引由初始位置按預定方向轉動。隨著電容電壓的升高,換相頻率提高,轉子轉速隨之提高,相應地定子繞組反電勢形成。此牽引過程持續t2時長。

 隨著S2跳高,壓控振蕩器停振,分頻分相器輸出靜止,控制邏輯切斷起動電路與換相電路的聯系,起動過程由反電勢和速度閉環控制回路繼續完成。

4自監視與自復位

 定相與變頻牽引的起動策略極大地改善了達松伐爾型永磁直流電機的起動可靠性,但這一起動過程本質上仍然是開環的。為適應對可靠性要求苛刻的應用系統如軍用和宇航產品的嚴格要求,將起動過程置于某種監視之下并實現閉環化是解決可靠起動問題的根本出路。其實現方法參見圖3。

 F/v變換電路將電機轉速脈沖實時變換為幅值與其頻率對應的電壓信號,依據此電壓是否超過某一閾值,比較器輸出表示電機是否起動的邏輯信號,邏輯O表示已起動。

 定時器l和2均為單穩觸發器,表示變頻牽引過程結束的S2上升沿觸發定時器1,延時數秒后(若已起動,此期間電機加速)定時器l的下降沿觸發定時器2輸出一寬度為數十毫秒的正脈沖,此脈沖能否成為復位信號取決于比較器的輸出,若電機未起動,RST產生。

  參見圖2,RST信號接通起動電容的放電開關,電容放電數十毫秒后開關斷開,電容重新充電,電機起動過程重新開始,自復位完成。

起動電路中的有關參數:定相加電和變頻牽引過程的持續時間,變頻牽引的頻率起點和頻率變化規律,加速時間和轉速判別閾值,它們與速度控制方式、定子繞組的連接方式、軸承靜摩擦和電機轉子及負載轉動慣量有關,需要在調試過程中試驗確定。不過大量和反復的試驗表明,這種起動方式對上述參數并不敏感,具有相當的適應性,無需針對同一種電機的不同個體加以再調整。同時自監視與自復位電路將起動過程置于閉環檢測與控制之中,使該型電機的起動完全去除了對外系統監控的依賴,適應了有關特定系統的要求。

5結束語

 使用本文所述起動策略和監控方法的達松伐爾型永磁直流電機驅動與控制電路已應用于某軍用角速率測量儀表,使其調諧性能、角動量穩定性、內部溫升和逐次漂移重復性等指標較以往采用磁滯電機的產品均有顯著改善,并有利于所屬慣性系統的調整和性能改善。目前驅動與控制電路已按軍標二次集成為模塊,使該儀表的使用更為方便,所屬系統也更為簡潔、可靠。

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