第4章2无刷直流电机传感器及驱动

第四章无刷直流电动机及其控制系统引言有刷直流电动机的电磁关系无刷直流电动机系统结构及原理无刷直流电动机的位置传感器无刷直流电动机系统的功率驱动电路无刷直流电动机控制系统及应用内容提要4.3无刷直流电动机位置传感器1、位置传感器的作用通过检测磁极与定子各相绕组轴线的相对位置，控制电机定子绕组的通电方向。方波运行用位置传感器：特征点位置信号正弦波运行用位置传感器：连续位置信号2、位置传感器的主要分类磁敏式光电式磁电式一、方波运行用位置传感器（开关型位置传感器）检测信号为方波二、正弦波运行用位置传感器（跟踪型位置传感器）可以检测磁极的实时位置4.3无刷直流电动机位置传感器4.3无刷直流电动机位置传感器4.3.1方波运行用位置传感器检测信号为方波，只在转子位置的某些特征点产生跃变，经过简单的逻辑变换就可以产生绕组电流导通逻辑信号（功率开关控制信号）单相通电方式位置信号4.3无刷直流电动机的位置传感器4.3.1方波运行用位置传感器1.开关式霍尔传感器2.红外光断续传感器1）概述：霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。2）特点：霍尔器件具有许多优点：结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。1、开关式霍尔传感器3）霍尔元件金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。霍尔元件的组成：由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。3）霍尔元件3）霍尔元件几种典型结构旋转轴阻磁盘永磁体霍尔4）测量原理罚担罚5）产生位置信号的原理开关式霍尔传感器4.3无刷直流电动机的位置传感器2.红外光断续传感器4.3.1方波运行1）光电二极管工作原理与电池相似，利用光子引起的电子跃迁将光信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中,其PN结装在管的顶部,可以直接受到光的照射。将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方工作原理光照射在PN结上；无光照时,反向电阻很大,反向电流很小（暗电流）。光照射PN结时,光子打在PN结附近,使PN结附近产生光生电子和空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动,形成光电流。光的照度越大,光电流越大。光敏二极管在不受光照射时,处于截止状态,受光照射时,处于导通状态。2）光电三极管光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但响应速度较二极管差。工作原理（1）光电转换（2）电流放大工作原理光敏晶体管与一般晶体管很相似,具有两个PN结,只是它的基区一边做得很大,以扩大光的照射面积。当光照射在集电结上时,就会在结附近产生电子-空穴对,从而形成光电流,相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增加,因此集电极电流是光生电流的β倍,所以光敏晶体管有放大作用。光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。2）光电三极管输出连续的位置信号一、旋转变压器输出连续的位置角度的正弦信号二、编码器输出连续的位置角度4.3.2正弦波运行用位置传感器一、旋转变压器1.旋转变压器的结构结构与两相绕线式感应电机相似，定子+转子，电磁学原理2.旋转变压器工作原理基本工作原理VsS1S2B1B2Zθ旋转变压器的工作波形一、旋转变压器3.旋转变压器的种类一、旋转变压器两相旋转变压器的输出电压三相旋转变压器的输出电压一、旋转变压器4.旋转变压器的专用数字芯片作用将旋转变压器输出的模拟量信号转化为数字信号型号：AD2S80A一、旋转变压器AD2S80A内部结构图AD2S80A连接图二、编码器（脉冲编码器）脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，能将机械转角变换成电脉冲。优点：易于与数字电路接口成本低廉体积小，安装方便1.编码器（脉冲编码器）分类脉冲编码器的分类增量式脉冲编码器绝对式脉冲编码盘光电式接触式电磁感应式光电式接触式电磁感应式1.编码器（脉冲编码器）分类光电编码器原理：一种角度（角速度）检测装置，它将输入轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量优点：体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等应用：广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中光电式脉冲编码器2.编码器的结构2.编码器的结构接触式3.编码器工作原理（1）增量式脉冲编码器结构图底座指示光栅有两组线纹A和B，每组线纹的节距和圆光栅的节距相同，但A、B两组线纹彼此错开1/4个节距，每组线纹与旋转圆光栅配合产生两路脉冲A和B用于记数和辩向。（1）增量式脉冲编码器工作原理光线透过两个光栅的A,B两组线纹，便在光电元件上形成明—暗—明变化一个周期的光信号，并被转化为两组近乎于正弦波的电压信号，连续旋转便得到A和B两路正弦电压信号。经过放大、整形后得到所示的方波信号A和B脉冲编码的输出信号脉冲编码的输出信号鉴相：如光栅盘正转时A相超前90o，反转时B相超前90o。基准：另外还产生一脉冲Z，Z为基准脉冲，或称零点脉冲，它是圆光栅盘，可以作为坐标原点的信号。工作原理绝对式脉冲编码盘是一种绝对角度位置检测装置，它的位置输出信号是某种制式的数码信号，它表示位移后所达到的绝对位置。特点电源切除后位置信息不会丢失，只要通电就能显示出所在的绝对位置信号。（2）绝对式脉冲编码器绝对式编码器实物照片绝对式脉冲编码盘的编码方法有：A图为二进制数码，B图为葛莱循环码码盘上有许多同心圆环，称为码道，整个圆盘又分为若干个等分的扇形区段，每一相同的扇形区段的码道组成一个数码，着色的码道为“1”，未着色的码道为“0”，内环码道为数码的高位。在圆盘的同一半径方向的每个码道处，如图的圆点所示，安装一个光电元件，光源装在圆盘的另一侧，码盘转动，每一扇形区段的光信号通过光电元件转换成数码脉冲信号。1）二进制数码图中二进制的数码1100的位置就是从0位算起的第12个角度绝对坐标位置，换算成角度是（360/16）x12=270的位置（编码盘分为16个区段）。绝对式脉冲编码器增加一位达到6位绝对式脉冲编码器葛莱码的特点是任意相邻的两个二进制数之间只有一位是不同的，最末一个数与第一个数也是如此，这样，就形成了循环，使整个循环里的相邻数之间都遵循这一规律。要生成葛莱码，可参考下图所示的方法。其中的行和列分别为三位和二位葛莱码，结合可生成五位葛莱码。2）葛莱码2）葛莱码纯二进制码的缺点：相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增大了误读的机率。葛莱码相邻两个二进制数码只有一个数位不同，因此两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。3）两种编码的可靠性的比较:（3）混合式光电编码器高位为绝对式编码，低位为脉冲式编码在解决初始零位的同时，降低成本4.4无刷直流电动机的功率驱动电路作用：控制功率回路的通断，在定子绕组中产生所需的电流。典型的功率电路拓扑全控型电力电子器件简介电力电子器件的驱动技术4.4.1典型的功率驱动电路拓扑1.不可逆电路拓扑三相结构四相结构4.4.1典型的功率驱动电路拓扑2.可逆电路拓扑两相全桥结构三相半桥结构4.4.2全控型电力电子器件简介常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块4.4.3电力电子器件的驱动技术1电力电子器件系统组成2电力电子器件驱动电路概述3典型全控型器件的驱动电路电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行1.电力电子器件系统组成电气隔离控制电路（1）电力电子器件驱动电路概述使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开、关时间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。驱动电路——主电路与控制电路之间的接口（1）电力电子器件驱动电路概述驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。 光隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是脉冲变压器光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型（1）电力电子器件驱动电路概述按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。分类（2）典型全控型器件的驱动电路GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似。GTO关断控制需施加负门极电流。GTO门极电压电流波形OttOuGiG1)电流驱动型器件的驱动电路正的门极电流5V的负偏压GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。（2）典型全控型器件的驱动电路直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。典型的直接耦合式GTO驱动电路（2）典型全控型器件的驱动电路开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。tOib理想的GTR基极驱动电流波形GTR（2）典型全控型器件的驱动电路GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。GTR的一种驱动电路（2）典型全控型器件的驱动电路电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开通的驱动电压一般15~20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5~-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。2)电压驱动型器件的驱动电路（2）典型全控型器件的驱动电路a)电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离和晶体管放大电路两部分　电力MOSFET的一种驱动电路专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。（2）典型全控型器件的驱动电路b)IGBT的驱动　M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB841、EXB850和EXB851）。多采用专用的混合集成驱动器。（2）典型全控型器件的驱动电路c)智能功率模块IPM将驱动电路和功率器件集成到一起小结位置传感器的种类及原理“方波运行”和“正弦波运行”采用的位置传感器的不同典型的功率驱动电路拓扑功率驱动电路的作用