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    直流無刷電機取樣(WTH)
    2020年10月22日

    直流電動機的電樞電流有重要意義,由于其正比于軸上轉矩,往往作為電動機轉矩的代表。無論對指示、控制,它都有著不可忽視的作用。電樞電流流過繞組與電路器件會發熱,因此它又是電機與裝置安全運行的重要參數。電流負反饋與過電流保護幾乎是所有驅動裝置不可缺少的環節,可見,電樞電流取樣在電機驅動中是十分重要的。

    1  無刷直流電機的工作簡述

        無刷電機有矩形波驅動與正弦波驅動,本文討論的是前者。圖1示出三相星形接線方式的橋式線路,這是最常見的方式。

        圖2示出其正常運行時的通電情況。U、V、n為轉子位置傳感器的輸出信號。

      

        這里采用晶體管脈寬調制方式進行調壓,以實現電機調速。圖3為典型的方框圖,這是一個具有電流負反饋與速度負反饋

        

        圖4表示出電機處于(0度~60度)區間工作的晶體管橋(設ULT>O,電機正轉)。

        設此區間WA與Wc通電(電樞電流從WA流人,由Wc流出),晶體管Vl、V3、V4與V6處于斬波工作狀態,波形見圖5。

        這里UIG為三角波電壓魄與控制電壓ULT相加后經比較器整形所得的方波電壓,簡化表示為UA+ULT,圖中UA- ULT亦然。

        電機端電壓UD及電流iD的波形也在圖中示出。由圖中可知電樞電壓的脈寬正比于控制電壓ULT。改變ULT的符號,UD、iD方向隨之而變,這樣便實現了調速。繞組的通電情況變換一次,斬波工作的晶體管也更換一次。各區間晶體管的導通情況見圖2b。圖中以陰影區表示晶體管工作時柵極施加U。+ULT,以虛線表示施加U - ULT。由于V4、V5、V6分別與V1、V2、V3同時處于斬波狀態,但導通與截止情況正好相反,故圖中以V1表示。注意,這僅表示斬波狀態的關系。在非斬波狀態,晶體管均處于關斷,且UD的最大占空比不應達到預期。

        由于ULT>O.UiG= U4G= UA+ ULT,例如區間(-60度,60度),電樞電流iD流入WA。而Ulc=U4G= U△- ULT,如區間(120度,240度),iD自WA流出。其他繞組及晶體管的情況類似。晶體管的導通區間以及柵極施加的是UA+ULT還是U - ULT,只取決于轉子空間位置叫f,即相對于電角的關系是固定的,各繞組的通電情況與電角的關系也是固定的。從而保證了定子繞組的合成磁勢在空間始終超前(按轉向)于轉子磁場90度(實際上因換相而存在±30度的擺動)。

    2通常所采用的電流取樣方式

        在圖2a中可以看到電機繞組WA. WB.Wc輪流間斷通電,電路上任何一點都不存在連續的電樞電流。電樞電流ID需要按時間順序輪流取各相電流拼接而成。這可利用邏輯電路控制模擬開關實現。為解決電位隔離,在電機引線上各穿一個電流傳感器(第三相電流可由另兩相電流合成,以省去一個傳感器),傳感器的輸出量正比于原方電流, 開關的輸入量,將輸出量疊加代表電樞電流的i用三選一模擬開關實現很容易。圖6示出其邏輯電路,這也可用GAL實現。

    當ULT>O  iD為正

    當ULT<O  DIV iD為負<>

     

        這種取樣方式目前被廣泛采用。或者說幾乎是無刷直流電動機的取樣方式。電流值+判向”的取樣方式

        這里提出另一種電流取樣方式。

    3.1  電流值的取得

        如果在電機引線串人反并二極管,并令同向二極管的連線同穿入一個電流傳感器,見圖7。由于任何時候按某方向穿圖7在電流傳感器上取得電樞電流值人(或穿出)電流傳感器的導線只有一根,且必有一根流過電流,因此在傳感器的副方得到連續的電流ia,其值與原方電流之比等于傳感器的變比。這是代表電樞電流值的量,可直接用于電機電流與轉矩指示,過電流保護。亦可在僅運行于第一象限的系統,即無勢能負載且無快速制動的單向系統中用作電流反饋,在這種系統中電機轉矩始終為正值,電流取樣無需分辨其符號。

        對于4象限運行的系統,則要對取樣電流進行判向。

        為取得數字量14、15、16,可在V4、V5、V6的源極回路串人低值電阻,在上面取出壓降,經比較器處理為數字量(比較器參考端電位幾乎為零,最小分辨電流可達數毫安),圖8表示采用CD4086實現判向。

        ULT>O

        在區間(- 60度,+60度),iA>O,i4=0,則ⅣVi4=0

        在區間(60度,180度),iB>0,i5—0,則U Wis=0

        在區間(180度,300度),ic>0,i6—0,則y Ui6=0

        CD4086輸出為“1”

        ULT<O< DIV>

        在區間(-60度,+60度),iA0,則ⅣVi4=1

        在區間(60度,180度),iBO,則U Wis=l

        在區間(180度,300度),ic<0,i6>0,則y Ui6=1

        CD4086輸出為“O”

        對于電流指示以及不涉及電流反饋的控制,可取ULT的符號作為電樞電流的符號。這實際是以電流指令的符號代替電流符號。它與實際電流ia僅在時間上有極短暫的超前,但可免除不少邏輯上的處理。

        電機引線中所串入的反并二極管,其額定電流按電機可能出現的峰值電流選擇。它們不承受反向電壓,故可用低壓二極管。

    3.2兩種取樣方式的比較

        通常的電流取樣方式是“搬動”電流傳感器的副邊電流,拼接而成為完整電樞電流的形式。而判向的方式實際是用二極管“搬動”主回路電流,使電流傳感器副邊出現連續的電流。后者電流值的取得極為簡便,最突出的優點是所獲得的電流波形的連續性很好,不存在波形拼接處的毛刺。這是它最可貴之處,也是通常方式所無法相比的。

        亦可不經合成而直接應用,圖10表示以判向信號控制模擬開關。

        見圖11,這里存在一個很窄的換相區。在換相區內,iA由ID降為零,同時i。由O增加為ID。按通常的取樣方式需在換相區內切換所取用的電流。設在tl時刻切換,將取用的電流由i。更換為如,則在取樣電流上便出現圖中所示的毛刺。波形的切換如果發生在換相剛開始或換相將結束的瞬間,毛刺將更大。以上是按模擬開關為理想情況考慮的,實際上模擬開關的開通與關斷也有個時間,這一點更不利于波形的銜接。而電流的值取樣方式則不存在傳 感器副邊在換相區的硬性切換。它是將輸入電機(或自電機輸出)的所有相的電流加起來(在這點上它相似于有刷直流電動機的電流取樣)。可以看到在換相區,自然就不存在毛刺了。

        這一方式的缺點是主回路要串入二極管,帶來附加的壓降與損耗。當電樞電流較大時,會造成很大的不便。另外還要進行判向與符號合成。

        這一電流取樣方式適用于電樞電流不太大的電機,尤其適用于無需判向的場合。

        電流值判向的取樣方式在我所生產的160LW無刷直流力矩電動機中首先采用。應用的時間尚不長,有待于在實踐中逐漸改進,進一步完善。

        順便指出,對于通常的電流取樣方式中所存在的波形上的毛刺,建議采用與電流值取樣類似的方法解決。

               有需要或想更多了解的朋友請與我聯系

             聯系人:王工     電話:18501531992


            





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