无刷直流电动机的电流取样

无刷直流电动机的电流取样

普及与提高ıPOPULARIZATION&RAISING

无刷直流电动机的电流取样

钟仁人　(西安微电机研究所　　710077)

　　直流电动机的电枢电流有重要意义,由

于其正比于轴上转矩,往往作为电动机转矩的代表。无论对指示、控制,它都有着不可忽视的作用。电枢电流流过绕组与电路器件会发热,因此它又是电机与装置安全运行的重要参数。电流负反馈与过电流保护几乎是所有驱动装置不可缺少的环节,可见,电枢电流取样在电机驱动中是十分重要的。

系统

。

1　无刷直流电动机的工作简述

　　无刷电机有矩形波驱动与正弦波驱动,本文讨论的是前者。图1示出三相星形接线方式的桥式线路,这是最常见的方式。图2示出其正常运行时的通电情况。U、V、W为转子位置传感器的输出信号

。

图2

　电机绕组与晶体管的通电情况

图1　无刷直流电动机桥式线路

图3　脉宽调速系统方框图

这里采用晶体管脉宽调制方式进行调压,以实现电机调速。图3为典型的方框图,这是一个具有电流负反馈与速度负反馈的双环

图4表示出电机处于Xt=0～60°区间工作的晶体管桥(设ULT>0,电机正转)。

—51—

微电机　1998年　第31卷　第2期(总第101期)

一次。各区间晶体管的导通情况见图2b。图中以阴影区表示晶体管工作时栅极施加U$+ULT,以虚线表示施加U$-ULT。由于V4、V5、V6分别与V1、V2、V3同时处于斩波状态,但导通与截止情况正好相反,故图中以V1表示。注意,这仅表示斩波状态的关系。在非斩波状态,晶体管均处于关断,且UD的最大占空比不应达到100%。

由于ULT>0,U1G=U4G=U$+ULT,例如

),电枢电流iD流入WA。区间(-60°,60°而

图4　Xt=0～60°区间斩波工作的晶体管桥

),iD,240°U1G=U4G=U$-ULT,如区间(120°

WA

设此区间WA与WC通电(电枢电流从

流入,由WC流出),晶体管V1、V3、V4与

自WA流出。其他绕组及晶体管的情况类似。

晶体管的导通区间以及栅极施加的是U$+

ULT还是U$-ULT,只取决于转子空间位置

V6处于斩波工作状态,波形见图5

。

Xt,即相对于电角的关系是固定的,各绕组的通电情况与电角的关系也是固定的。从而保证了定子绕组的合成磁势在空间始终超前(按转向)于转子磁场90°(实际上因换相而存在±30°的摆动)。

2　通常所采用的电流取样方式

　　在图2a中可以看到电机绕组WA、WB、WC轮流间断通电,电路上任何一点都不存在连续的电枢电流。电枢电流iD需要按时间顺序轮流取各相电流拼接而成。即Xt=-60°～60°,取iA;Xt=60°～180°,取iB;Xt=180°～300°,取iC……。这可利用逻辑电路控制模拟开关实现。为解决电位隔离,在电机引线l1、l2、l3上各穿一个电流传感器(第三相电流可由另两相电流合成,以省去一个传感器),传感器的输出量正比于原方电流,分别为ia、ib、ic,则得到id=WVia+UWib+VUic。

“0”、U、V、W、U、V、W为数字量,或为

或为“1”;ia、以WV、ib、ic为模拟量。VW、VU为模拟开关的控制信号,以ia、ib、ic为模拟开关的输入量,将输出量叠加代表电枢电流的id。用三选一模拟开关实现很容易。图6示出其逻辑电路,这也可用GAL实现。

当ULT>0　iD为正

图5　Xt=0～60°区间斩波工作的功率桥波形图

这里U1G为三角波电压U$与控制电压ULT相加后经比较器整形所得的方波电压,简化表示为U$+ULT,图中U$-ULT亦然。

电机端电压UD及电流iD的波形也在图中示出。由图中可知电枢电压的脉宽正比于控制电压ULT。改变ULT的符号,UD、iD方向随之而变,这样便实现了调速。

在Xt=60°～120°区间,WB、WC通电。V2、V3、V5、V6所组成的桥路处于斩波工作,情况与前类似。以后Xt每变化60°,绕组的通电情况变换一次,斩波工作的晶体管也更换—52—

无刷直流电动机的电流取样

　　ULT

为负

入(或穿出)电流传感器的导线只有一根,且必有一根流过电流,因此在传感器的副方得到连续的电流id,其值与原方电流之比等于传感器的变比。这是代表电枢电流绝对值的量,可直接用于电机电流与转矩指示,过电流保护。亦可在仅运行于第一象限的系统,即无势能负载且无快速制动的单向系统中用作电流反馈,在这种系统中电机转矩始终为正值,电流取样无需分辨其符号。

对于4象限运行的系统,则要对取样电流进行判向,在ßidß前冠以正、负号。

图6　用模拟开关进行电流的合成

WVi4+UWi5+VUi6是电流id的方向

这种取样方式目前被广泛采用。或者说

几乎是无刷直流电动机唯一的取样方式。

信号,或用其相反量,式中所有量均为数字量,值为“0”或“1”。i4、i5、i6分别为管子V4、

当V4V5、V6的源极电流,正方向如图7所示。的源极电流为正时,i4=1。源极电流为零或

负值时,i4=0。i5、i6亦如此。

为取得数字量i4、i5、i6,可在V4、V5、V6的源极回路串入低值电阻,在上面取出压降,经比较器处理为数字量(比较器参考端电位几乎为零,最小分辨电流可达数毫安),图8表示采用CD4086实现判向

。

3　“电流绝对值+判向”的取样

方式

　　这里提出另一种电流取样方式,即“ßiDß+判向”。

311　电流绝对值的取得

　　如果在电机引线l1、l2、l3串入反并二极管,并令同向二极管的连线同穿入一个电流传感器,见图7。

由于任何时候按某方向穿

图8　用CD4086实现判向

ULT>0

),iA>0,i4=0,则在区间(-60°,+60°

WVi4=0

),iB>0,i5=0,则在区间(60°,180°

UWi5=0

图7　在电流传感器上取得电枢电流绝对值

),iC>0,i6=0,则在区间(180°,300°

—53—

VUi6=0

“1”CD4086输出为

ULT

),iA0,则在区间(-60°,+60°

WVi4=1

对于电流指示以及不涉及电流反馈的控

制,可取ULT的符号作为电枢电流的符号。这实际是以电流指令的符号代替电流符号。它与实际电流id仅在时间上有极短暂的超前,但可免除不少逻辑上的处理。

电机引线中所串入的反并二极管,其额定电流按电机可能出现的峰值电流选择。它们不承受反向电压,故可用低压二极管。312　两种取样方式的比较

),iB0,则在区间(60°,180°

UWi5=1

),iC0,则在区间(180°,300°

VUi6=1

“0”CD4086输出为

利用模拟开关可将此判向信号加在ßidß

前成为其符号,见图9。这里Uin为代表ßidß的电压,Uout则为代表id的电压,后者具有正、负号

。

　　通常的电流取样方式是“搬动”电流传感器的副边电流,拼接而成为完整电枢电流的形式。而“ßidß+判向”的方式实际是用二极管“搬动”主回路电流,使电流传感器副边出现连续的电流。后者电流绝对值的取得极为简便,最突出的优点是所获得的电流波形的连续性很好,不存在波形拼接处的毛刺。这是它最可贵之处,也是通常方式所无法相比的

。

图9　将电流绝对值冠以符号

亦可不经合成而直接应用,图10表示以判向信号控制模拟开关,将ßidß用于电流负反馈的情况

。

图11　换相区波形拼接处的毛刺

的换相,见图11,这里存在一个很窄Xt=60°

的换相区。在换相区内,iA由ID降为零,同时

按通常的取样方式需在换iB由0增加为ID。

相区内切换所取用的电流。设在t1时刻切换

,将取用的电流由ia更换为ib,则在取样电流上便出现图中所示的毛刺。波形的切换如果发生在换相刚开始或换相将结束的瞬间,毛刺将更大。以上是按模拟开关为理想情况考虑的,实际上模拟开关的开通与关断也有个时间,这一点更不利于波形的衔接。而电流的绝对值取样方式则不存在传

(下转第59页)

图10　“电绝对值+判向”用于电流负反馈

—54—

3　质量靠技术加管理

工厂的质量保证能力在于他的生产手段和检测手段。为此,我厂注重提高工厂的科技水平,搞好技术改造,增加技术投入,积极引进先进的生产设备和检测仪器。为了提高产品装配性能的一致性,1997年又增加了一条装配流水线,为开展CAD,提高产品设计水平,增添了计算机,并配备了设计软件。另外为了加强过程检测,增添了投影仪和匝间短路测试仪、绝缘电阻测试仪等。目前,电机性能自动测试设备也正在方案认证。由于这些“硬件”的不断充实,使我厂产品的一次合格率大大提高,初步尝到了质量出效益的甜头。

5　技术文件是质量活动的法律

　　我厂着力抓好设计图纸、工艺文件、检验标准的准确性、一致性、标准化工作,做到生产现场有受控的设计图纸和工艺文件,检验有受控的检验标准,一切质量活动均有“法”可依。技术部、质检部在生产现场办公,对出现的质量问题有信息反馈、原因分析、纠正措施,使得不合格品能得到及时控制。

ISO9002标准的贯彻,使我厂质量管理水平上了台阶,在微特电机行业提高了声誉,在广大用户中获得了极好的反响。1997年是我厂历史上产量、销售、效益最好的一年。在1997年四季度江苏省技术监督局微电机产品

4　把好外协(外购)件质量关

因为只有高质量的零件才会有高质量的

电机。我厂有许多零件是外协或外购的。为此,我们对每个分承包方的质保能力都进行了认定,建立了档案。我们不仅严把外协件的进厂检验关,及时反馈质量情况,而且配备了工程师,专职帮助分承包方提高质量,实行质量管理的外延,这对提高外协件质量,确保电机质量效果十分明显。(上接第54页)

监督抽查中,我厂产品顺利通过。我厂领导狠抓产品质量的做法获得了很高的评价。但是,ISO9002证书的取得不是终极目的,而是新的起点。随着ISO标准运作时间的延长,我厂质保体系必然会更加完善。我们要在科技进步和科学管理的带动下,进一步向专业化、规模化发展,以质量求生存,以科技求发展,以管理求效益。

(收稿日期:1998-02-02)

“电流绝对值+判向”的取样方式在我所生产的160LW无刷直流力矩电动机中首先采用。应用的时间尚不长,有待于在实践中逐渐改进,进一步完善。

顺便指出,对于通常的电流取样方式中所存在的波形上的毛刺,建议采用与电流绝对值取样类似的方法解决。

(收稿日期:1997-12-23)

感器副边在换相区的硬性切换。它是将

输入电机(或自电机输出)的所有相的电流加起来(在这点上它相似于有刷直流电动机的电流取样)。可以看到在换相区,ia+ib仍是个平稳的波形,自然就不存在毛刺了。

这一方式的缺点是主回路要串入二极管,带来附加的压降与损耗。当电枢电流较大时,会造成很大的不便。另外还要进行判向与符号合成。

这一电流取样方式适用于电枢电流不太大的电机,尤其适用于无需判向的场合。

钟仁人:男,1940年11月出生,高级工程师,主要从事直流(有刷及无刷)电动机驱动器、步进电动机细分驱动器、直线步进电动机驱动器的研究。

—59—

无刷直流电动机的电流取样

普及与提高ıPOPULARIZATION&RAISING

无刷直流电动机的电流取样

钟仁人　(西安微电机研究所　　710077)

　　直流电动机的电枢电流有重要意义,由

于其正比于轴上转矩,往往作为电动机转矩的代表。无论对指示、控制,它都有着不可忽视的作用。电枢电流流过绕组与电路器件会发热,因此它又是电机与装置安全运行的重要参数。电流负反馈与过电流保护几乎是所有驱动装置不可缺少的环节,可见,电枢电流取样在电机驱动中是十分重要的。

系统

。

1　无刷直流电动机的工作简述

　　无刷电机有矩形波驱动与正弦波驱动,本文讨论的是前者。图1示出三相星形接线方式的桥式线路,这是最常见的方式。图2示出其正常运行时的通电情况。U、V、W为转子位置传感器的输出信号

。

图2

　电机绕组与晶体管的通电情况

图1　无刷直流电动机桥式线路

图3　脉宽调速系统方框图

这里采用晶体管脉宽调制方式进行调压,以实现电机调速。图3为典型的方框图,这是一个具有电流负反馈与速度负反馈的双环

图4表示出电机处于Xt=0～60°区间工作的晶体管桥(设ULT>0,电机正转)。

—51—

微电机　1998年　第31卷　第2期(总第101期)

一次。各区间晶体管的导通情况见图2b。图中以阴影区表示晶体管工作时栅极施加U$+ULT,以虚线表示施加U$-ULT。由于V4、V5、V6分别与V1、V2、V3同时处于斩波状态,但导通与截止情况正好相反,故图中以V1表示。注意,这仅表示斩波状态的关系。在非斩波状态,晶体管均处于关断,且UD的最大占空比不应达到100%。

由于ULT>0,U1G=U4G=U$+ULT,例如

),电枢电流iD流入WA。区间(-60°,60°而

图4　Xt=0～60°区间斩波工作的晶体管桥

),iD,240°U1G=U4G=U$-ULT,如区间(120°

WA

设此区间WA与WC通电(电枢电流从

流入,由WC流出),晶体管V1、V3、V4与

自WA流出。其他绕组及晶体管的情况类似。

晶体管的导通区间以及栅极施加的是U$+

ULT还是U$-ULT,只取决于转子空间位置

V6处于斩波工作状态,波形见图5

。

Xt,即相对于电角的关系是固定的,各绕组的通电情况与电角的关系也是固定的。从而保证了定子绕组的合成磁势在空间始终超前(按转向)于转子磁场90°(实际上因换相而存在±30°的摆动)。

2　通常所采用的电流取样方式

　　在图2a中可以看到电机绕组WA、WB、WC轮流间断通电,电路上任何一点都不存在连续的电枢电流。电枢电流iD需要按时间顺序轮流取各相电流拼接而成。即Xt=-60°～60°,取iA;Xt=60°～180°,取iB;Xt=180°～300°,取iC……。这可利用逻辑电路控制模拟开关实现。为解决电位隔离,在电机引线l1、l2、l3上各穿一个电流传感器(第三相电流可由另两相电流合成,以省去一个传感器),传感器的输出量正比于原方电流,分别为ia、ib、ic,则得到id=WVia+UWib+VUic。

“0”、U、V、W、U、V、W为数字量,或为

或为“1”;ia、以WV、ib、ic为模拟量。VW、VU为模拟开关的控制信号,以ia、ib、ic为模拟开关的输入量,将输出量叠加代表电枢电流的id。用三选一模拟开关实现很容易。图6示出其逻辑电路,这也可用GAL实现。

当ULT>0　iD为正

图5　Xt=0～60°区间斩波工作的功率桥波形图

这里U1G为三角波电压U$与控制电压ULT相加后经比较器整形所得的方波电压,简化表示为U$+ULT,图中U$-ULT亦然。

电机端电压UD及电流iD的波形也在图中示出。由图中可知电枢电压的脉宽正比于控制电压ULT。改变ULT的符号,UD、iD方向随之而变,这样便实现了调速。

在Xt=60°～120°区间,WB、WC通电。V2、V3、V5、V6所组成的桥路处于斩波工作,情况与前类似。以后Xt每变化60°,绕组的通电情况变换一次,斩波工作的晶体管也更换—52—

无刷直流电动机的电流取样

　　ULT

为负

入(或穿出)电流传感器的导线只有一根,且必有一根流过电流,因此在传感器的副方得到连续的电流id,其值与原方电流之比等于传感器的变比。这是代表电枢电流绝对值的量,可直接用于电机电流与转矩指示,过电流保护。亦可在仅运行于第一象限的系统,即无势能负载且无快速制动的单向系统中用作电流反馈,在这种系统中电机转矩始终为正值,电流取样无需分辨其符号。

对于4象限运行的系统,则要对取样电流进行判向,在ßidß前冠以正、负号。

图6　用模拟开关进行电流的合成

WVi4+UWi5+VUi6是电流id的方向

这种取样方式目前被广泛采用。或者说

几乎是无刷直流电动机唯一的取样方式。

信号,或用其相反量,式中所有量均为数字量,值为“0”或“1”。i4、i5、i6分别为管子V4、

当V4V5、V6的源极电流,正方向如图7所示。的源极电流为正时,i4=1。源极电流为零或

负值时,i4=0。i5、i6亦如此。

为取得数字量i4、i5、i6,可在V4、V5、V6的源极回路串入低值电阻,在上面取出压降,经比较器处理为数字量(比较器参考端电位几乎为零,最小分辨电流可达数毫安),图8表示采用CD4086实现判向

。

3　“电流绝对值+判向”的取样

方式

　　这里提出另一种电流取样方式,即“ßiDß+判向”。

311　电流绝对值的取得

　　如果在电机引线l1、l2、l3串入反并二极管,并令同向二极管的连线同穿入一个电流传感器,见图7。

由于任何时候按某方向穿

图8　用CD4086实现判向

ULT>0

),iA>0,i4=0,则在区间(-60°,+60°

WVi4=0

),iB>0,i5=0,则在区间(60°,180°

UWi5=0

图7　在电流传感器上取得电枢电流绝对值

),iC>0,i6=0,则在区间(180°,300°

—53—

VUi6=0

“1”CD4086输出为

ULT

),iA0,则在区间(-60°,+60°

WVi4=1

对于电流指示以及不涉及电流反馈的控

制,可取ULT的符号作为电枢电流的符号。这实际是以电流指令的符号代替电流符号。它与实际电流id仅在时间上有极短暂的超前,但可免除不少逻辑上的处理。

电机引线中所串入的反并二极管,其额定电流按电机可能出现的峰值电流选择。它们不承受反向电压,故可用低压二极管。312　两种取样方式的比较

),iB0,则在区间(60°,180°

UWi5=1

),iC0,则在区间(180°,300°

VUi6=1

“0”CD4086输出为

利用模拟开关可将此判向信号加在ßidß

前成为其符号,见图9。这里Uin为代表ßidß的电压,Uout则为代表id的电压,后者具有正、负号

。

　　通常的电流取样方式是“搬动”电流传感器的副边电流,拼接而成为完整电枢电流的形式。而“ßidß+判向”的方式实际是用二极管“搬动”主回路电流,使电流传感器副边出现连续的电流。后者电流绝对值的取得极为简便,最突出的优点是所获得的电流波形的连续性很好,不存在波形拼接处的毛刺。这是它最可贵之处,也是通常方式所无法相比的

。

图9　将电流绝对值冠以符号

亦可不经合成而直接应用,图10表示以判向信号控制模拟开关,将ßidß用于电流负反馈的情况

。

图11　换相区波形拼接处的毛刺

的换相,见图11,这里存在一个很窄Xt=60°

的换相区。在换相区内,iA由ID降为零,同时

按通常的取样方式需在换iB由0增加为ID。

相区内切换所取用的电流。设在t1时刻切换

,将取用的电流由ia更换为ib,则在取样电流上便出现图中所示的毛刺。波形的切换如果发生在换相刚开始或换相将结束的瞬间,毛刺将更大。以上是按模拟开关为理想情况考虑的,实际上模拟开关的开通与关断也有个时间,这一点更不利于波形的衔接。而电流的绝对值取样方式则不存在传

(下转第59页)

图10　“电绝对值+判向”用于电流负反馈

—54—

3　质量靠技术加管理

工厂的质量保证能力在于他的生产手段和检测手段。为此,我厂注重提高工厂的科技水平,搞好技术改造,增加技术投入,积极引进先进的生产设备和检测仪器。为了提高产品装配性能的一致性,1997年又增加了一条装配流水线,为开展CAD,提高产品设计水平,增添了计算机,并配备了设计软件。另外为了加强过程检测,增添了投影仪和匝间短路测试仪、绝缘电阻测试仪等。目前,电机性能自动测试设备也正在方案认证。由于这些“硬件”的不断充实,使我厂产品的一次合格率大大提高,初步尝到了质量出效益的甜头。

5　技术文件是质量活动的法律

　　我厂着力抓好设计图纸、工艺文件、检验标准的准确性、一致性、标准化工作,做到生产现场有受控的设计图纸和工艺文件,检验有受控的检验标准,一切质量活动均有“法”可依。技术部、质检部在生产现场办公,对出现的质量问题有信息反馈、原因分析、纠正措施,使得不合格品能得到及时控制。

ISO9002标准的贯彻,使我厂质量管理水平上了台阶,在微特电机行业提高了声誉,在广大用户中获得了极好的反响。1997年是我厂历史上产量、销售、效益最好的一年。在1997年四季度江苏省技术监督局微电机产品

4　把好外协(外购)件质量关

因为只有高质量的零件才会有高质量的

电机。我厂有许多零件是外协或外购的。为此,我们对每个分承包方的质保能力都进行了认定,建立了档案。我们不仅严把外协件的进厂检验关,及时反馈质量情况,而且配备了工程师,专职帮助分承包方提高质量,实行质量管理的外延,这对提高外协件质量,确保电机质量效果十分明显。(上接第54页)

监督抽查中,我厂产品顺利通过。我厂领导狠抓产品质量的做法获得了很高的评价。但是,ISO9002证书的取得不是终极目的,而是新的起点。随着ISO标准运作时间的延长,我厂质保体系必然会更加完善。我们要在科技进步和科学管理的带动下,进一步向专业化、规模化发展,以质量求生存,以科技求发展,以管理求效益。

(收稿日期:1998-02-02)

“电流绝对值+判向”的取样方式在我所生产的160LW无刷直流力矩电动机中首先采用。应用的时间尚不长,有待于在实践中逐渐改进,进一步完善。

顺便指出,对于通常的电流取样方式中所存在的波形上的毛刺,建议采用与电流绝对值取样类似的方法解决。

(收稿日期:1997-12-23)

感器副边在换相区的硬性切换。它是将

输入电机(或自电机输出)的所有相的电流加起来(在这点上它相似于有刷直流电动机的电流取样)。可以看到在换相区,ia+ib仍是个平稳的波形,自然就不存在毛刺了。

这一方式的缺点是主回路要串入二极管,带来附加的压降与损耗。当电枢电流较大时,会造成很大的不便。另外还要进行判向与符号合成。

这一电流取样方式适用于电枢电流不太大的电机,尤其适用于无需判向的场合。

钟仁人:男,1940年11月出生,高级工程师,主要从事直流(有刷及无刷)电动机驱动器、步进电动机细分驱动器、直线步进电动机驱动器的研究。

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