永磁無刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵系統(tǒng)應(yīng)用原理

1、永磁無刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)永磁無刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵系統(tǒng)應(yīng)用大慶油田裝備制造集團(tuán)2007.12.3目 錄一、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹1二、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)2三、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明31 永磁無刷電機(jī)31.1永磁無刷電機(jī)介紹31.2永磁無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)41.3 永磁無刷電機(jī)換向工作原理61.4永磁無刷電機(jī)反電動(dòng)勢定義61.5永磁無刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性71.6永磁無刷電機(jī)額定規(guī)格及性能參數(shù)81.7永磁無刷電機(jī)與其它類型電機(jī)比較92 霍爾傳感器102.1霍爾效應(yīng)理論112.2霍爾位置傳感器113 永磁無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器123.1驅(qū)動(dòng)器基本構(gòu)成123.2驅(qū)動(dòng)器換向工作原理133.3永磁無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)133.

2、4驅(qū)動(dòng)器的電磁剎車功能163.5驅(qū)動(dòng)器操作功能簡介16一、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹螺桿泵做為一種油田人工舉升設(shè)備，近年來在大慶油田得到廣泛應(yīng)用，其它油田也在積極推廣中。螺桿泵屬于容積泵，它適用于含砂、含氣、油稠的場合，具有節(jié)電、占地少的優(yōu)點(diǎn)，下泵深度不超過1500米的直井幾乎都可以使用螺桿泵。永磁無刷電機(jī)（BLDC）直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵系統(tǒng)是永磁無刷電機(jī)在石油人工舉升設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用。系統(tǒng)基本工作原理是：采用專用永磁無刷電機(jī)做為螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)頭，驅(qū)動(dòng)頭帶有密封裝置且直接安裝在油井井口上，螺桿泵驅(qū)動(dòng)光桿直接穿過電機(jī)的轉(zhuǎn)子空心軸，即電機(jī)直接帶動(dòng)光桿一起旋轉(zhuǎn)，舉升井液，省掉了異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的皮帶和減速齒輪，電機(jī)上

3、部采用機(jī)械密封防止井液從光桿連接處滲漏。電機(jī)由專用控制器驅(qū)動(dòng)，并可通過該控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿泵轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)及各種保護(hù)功能。位置測量傳感器安裝在定子上，感知轉(zhuǎn)子的位置。其余部分包括在驅(qū)動(dòng)器中。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。圖1螺桿泵永磁無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖與傳統(tǒng)螺桿泵高速異步電機(jī)帶減速箱的機(jī)械式驅(qū)動(dòng)裝置相比，螺桿泵永磁無刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有以下諸多優(yōu)點(diǎn)：免維護(hù)、節(jié)能效果明顯、運(yùn)行噪聲低、容易調(diào)速、滲漏小、有效防止泵桿斷裂等。直驅(qū)系統(tǒng)上述諸多優(yōu)點(diǎn)使得其未來在螺桿泵采油設(shè)備上的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。表1給出了直驅(qū)系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)械式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的對(duì)比。表1. 螺桿泵直驅(qū)系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)械減速式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較特性直驅(qū)式

4、傳統(tǒng)機(jī)械式維護(hù)量由于不使用機(jī)械減速箱和皮帶傳動(dòng)裝置，使機(jī)械維護(hù)量大大降低需要周期性維護(hù)，為減速箱注油，更換傳動(dòng)皮帶工作壽命較長較短效率高無機(jī)械減速裝置，且永磁電機(jī)本身效率高低機(jī)械減速裝置要消耗一部分功率，且異步電機(jī)由于功率因數(shù)運(yùn)行效率較低驅(qū)動(dòng)裝置重量與體積重量與體積小驅(qū)動(dòng)頭簡單，只有電機(jī)加上密封裝置，且永磁電機(jī)在功率相同的前提下體積較小較大由于帶機(jī)械減速裝置，占地面積大而且重調(diào)速范圍較寬可以在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平滑調(diào)速較窄要改變轉(zhuǎn)速，只能更換傳動(dòng)皮帶或配備異步電機(jī)變頻器，且受機(jī)械減速箱的限制，調(diào)速范圍較窄產(chǎn)生的電磁噪音低較大機(jī)械減速裝置產(chǎn)生較大噪音制造成本較高由于電機(jī)采用永磁體，因而電機(jī)制造成本較

5、高，且必須配備相應(yīng)的控制器較低異步電機(jī)和減速裝置成本較低，380V常用異步電機(jī)變頻器價(jià)格也較低系統(tǒng)保護(hù)性能可通過控制器自動(dòng)改變加在泵桿上的扭矩大小，有效保護(hù)螺桿泵，防止斷桿、油井抽空等故障出現(xiàn)由于泵桿的速度總是保持不變，無法降速，即無法限制泵桿的扭矩，易造成扭斷泵桿、井下螺桿泵定子脫落、減速器內(nèi)齒輪斷裂、燒壞電機(jī)等故障系統(tǒng)控制要求必須依靠控制器才能使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，借助控制器可以調(diào)速控制對(duì)于恒速運(yùn)行不需要控制器，如果需要調(diào)節(jié)速度則需要配備相應(yīng)的控制器二、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)永磁無刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如下：u 輸入電壓范圍：交流380V±10%；u 額定轉(zhuǎn)矩：1000N.m；u 調(diào)

6、速范圍：0-250轉(zhuǎn)/分；u 過載轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：4倍（0-50%額定轉(zhuǎn)速范圍）；u 效率：額定效率91%，工作調(diào)速范圍內(nèi)效率大于85%；u 功率因數(shù)：工作調(diào)速范圍內(nèi)大于0.9；u 環(huán)境條件：40到+60，戶外型，有灰沙、鹽霧侵蝕；u 驅(qū)動(dòng)器：配置按鍵和顯示，可現(xiàn)場設(shè)置、讀取所需參數(shù)。三、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明螺桿泵永磁無刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上可主要分為：永磁無刷電機(jī)、位置傳感器、專用控制器、機(jī)械密封防滲漏裝置幾部分。以下對(duì)這些主要組成部分逐一說明。1、永磁無刷電機(jī)1.1 永磁無刷電機(jī)介紹永磁無刷電機(jī)（BLDC）采用電子換向器替代了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置，從而克服了電刷和換向器所引起的噪聲、火

7、花、電磁干擾、壽命短等一系列弊病。由于直流無刷電動(dòng)機(jī)既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，故其在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。BLDC電機(jī)相對(duì)于有刷直流電機(jī)和異步電機(jī)而言，具有以下諸多優(yōu)點(diǎn)：u 較好的機(jī)械特性u(píng) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快u 高效率u 工作壽命長u 運(yùn)行無噪音u 調(diào)速范圍寬1.2 永磁無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)BLDC電機(jī)屬于同步電機(jī)的一種，即定子產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場以相同頻率旋轉(zhuǎn)。BLDC電機(jī)不存在異步電機(jī)所謂的“轉(zhuǎn)差率”定義。BLDC電機(jī)有一相、兩相和三相三種規(guī)格，三相BLDC電機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的一種。圖2永磁無

8、刷電機(jī)總裝模型圖圖3永磁無刷電機(jī)實(shí)際外形圖用于螺桿泵的永磁無刷交流電機(jī)由定子、空心轉(zhuǎn)子、位置傳感器和殼體組成，繞組為三相。永磁無刷交流電機(jī)的模型如圖2所示，實(shí)際外形如圖3所示。其在結(jié)構(gòu)上與有刷電機(jī)正好相反。無刷電機(jī)采用電子線路切換繞組的通電順序，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，推動(dòng)轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。(1) 定子BLDC電機(jī)的定子是由沖有繞組槽孔的硅鋼片疊壓而成，繞組固定在軸向定子沖槽當(dāng)中。BLDC電機(jī)的定子與異步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)比較相似，而不同之處在于BLDC電機(jī)的繞組分布方式。大部分BLDC電機(jī)的三相定子繞組連接成Y型。這些繞組的每一組都由眾多線圈相互連接而成。BLDC電機(jī)有兩種不同的定子繞組類型：梯形和正弦，繞

9、組類型的不同取決于線圈的連接方式，這使得電機(jī)產(chǎn)生不同的反向電動(dòng)勢（EMF）波形。因此，梯形繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢波形為梯形，而正弦繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢波形為正弦波，除了產(chǎn)生的反電動(dòng)勢波形不同外，對(duì)應(yīng)的相電流波形也有梯形和正弦波之分，相對(duì)于梯形繞組，正弦波繞組的BLDC電機(jī)輸出的力矩更為平滑。但是正弦波繞組由于線圈匝數(shù)較多，繞組的耗銅量較大，增加了電機(jī)的制造成本。本系統(tǒng)采用正弦繞組連接方式。圖4是BLDC電機(jī)的定子圖。(2) 轉(zhuǎn)子BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子由永磁材料構(gòu)成，NS永磁體相互交替間隔放置組成12對(duì)極對(duì)數(shù)。以往常用鐵氧體作永磁材料，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，稀土合金永磁材料逐漸得到推廣，鐵氧體永磁材料價(jià)格雖

10、然比較便宜但卻存在單位體積下磁通密度較小的缺點(diǎn)。相比而言，稀土合金永磁材料單位體積下具有更高的磁通密度，這使得在產(chǎn)生相同轉(zhuǎn)矩的情況下能夠使轉(zhuǎn)子的體積做的更小，同時(shí)稀土合金永磁材料也提高了電機(jī)的重量體積比，對(duì)于相同體積的BLDC電機(jī)稀土合金永磁材料能比鐵氧體產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩。沖壓槽定子繞組圖4 BLDC電機(jī)定子圓形鐵芯，矩形磁極嵌在轉(zhuǎn)子上圖5 BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖銣、釤鈷、銣合金以及銣鐵硼都是典型的稀土合金永磁體。本系統(tǒng)采用燒結(jié)釹鐵硼永磁材料（耐溫180°以上）作轉(zhuǎn)子永磁體。圖5是轉(zhuǎn)子永磁體排列結(jié)構(gòu)圖。1.3 永磁無刷電機(jī)換向工作原理三相BLDC電機(jī)工作時(shí)需要控制器通過換向不斷產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)

11、。換向原理如下：每個(gè)換向次序都會(huì)使得電機(jī)其中一個(gè)繞組通入正電源（電流流入繞組），而第二個(gè)繞組通入負(fù)電源（電流流出繞組），第三個(gè)繞組處于不導(dǎo)通狀態(tài)。由于定子線圈產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子永磁體相互作用，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩。理想情況下，當(dāng)兩個(gè)磁場相互之間呈90度時(shí)將產(chǎn)生峰值轉(zhuǎn)矩，而當(dāng)兩個(gè)磁場相互平行時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為零。為了使電機(jī)保持旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場接近定子磁場時(shí)，定子繞組產(chǎn)生的磁場必須改變位置。1.4 永磁無刷電機(jī)反電動(dòng)勢（back EMF）當(dāng)BLDC電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)繞組都會(huì)產(chǎn)生叫做反電動(dòng)勢（back EMF）的電壓，根據(jù)楞次定律，其方向與提供給繞組的主電壓相反。這一反電動(dòng)勢的極性與勵(lì)磁電壓相反。反電動(dòng)勢與三個(gè)因

12、素有關(guān)：u 轉(zhuǎn)子角速度u 轉(zhuǎn)子磁體產(chǎn)生的磁場u 定子繞組的匝數(shù)公式1：反電動(dòng)勢（E）NlrB其中：N每相繞組的匝數(shù)，l轉(zhuǎn)子長度，r轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，B轉(zhuǎn)子磁場密度，電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度電機(jī)設(shè)計(jì)完成后，轉(zhuǎn)子磁場和定子繞組的匝數(shù)都是固定的。唯一決定反電動(dòng)勢的因素就是電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角速度，或者說轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，隨著轉(zhuǎn)速升高，反電動(dòng)勢也隨之增加。繞組兩端的壓降可以通過從供電電壓中減去反電動(dòng)勢值計(jì)算得出。使用反電動(dòng)勢常數(shù)設(shè)計(jì)電機(jī)的方法如下：當(dāng)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，反電動(dòng)勢和供電電壓間的電勢差足以使電機(jī)消耗額定電流，提供額定轉(zhuǎn)矩。如果電機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速，反電動(dòng)勢會(huì)顯著增長，從而降低繞組兩端的電壓降，減小電機(jī)電流，從而導(dǎo)致電機(jī)

13、輸出轉(zhuǎn)矩降低。轉(zhuǎn)速曲線上最后一點(diǎn)表示供電電壓等于反電動(dòng)勢與電機(jī)中壓降損耗之和，此時(shí)電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩都等于0。1.5 永磁無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性圖5是BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)矩速度特性曲線。用兩個(gè)轉(zhuǎn)矩參數(shù)來定義BLDC電機(jī)，峰值轉(zhuǎn)矩（TP）和額定轉(zhuǎn)矩（TR）。在連續(xù)工作區(qū)域，電機(jī)可以加載到額定轉(zhuǎn)矩。對(duì)于BLDC電機(jī)，當(dāng)速度逐漸上升到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩仍能保持不變。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可以上升到額定轉(zhuǎn)速的150，而此時(shí)轉(zhuǎn)矩則會(huì)下降。當(dāng)電機(jī)帶泵桿從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)以及處于加速過程時(shí)，在這個(gè)短暫的過程中永磁無刷電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩。在這個(gè)過程中，額外的轉(zhuǎn)矩用于克服井下負(fù)載以及轉(zhuǎn)子本身的慣性。根據(jù)轉(zhuǎn)矩速度特性曲線

14、，BLDC電機(jī)能夠產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)矩，最高可以達(dá)到峰值轉(zhuǎn)矩。峰值轉(zhuǎn)矩TP轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩TR轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)矩最高轉(zhuǎn)矩?cái)嗬m(xù)轉(zhuǎn)矩區(qū)域連續(xù)轉(zhuǎn)矩區(qū)域圖5 BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性曲線1.6永磁無刷電機(jī)額定規(guī)格及性能參數(shù)以安裝在采油一廠北四隊(duì)西2丙06井的永磁無刷電機(jī)為例來說明。表2為電機(jī)的額定規(guī)格。表3為永磁電機(jī)的性能參數(shù)表。表2. 螺桿泵直驅(qū)系統(tǒng)永磁電機(jī)額定規(guī)格表規(guī)格參數(shù)規(guī)格參數(shù)額定功率13KW控制方式磁場定向控制(FOC)，正弦波電流輸出額定轉(zhuǎn)速125rpm環(huán)境條件環(huán)境溫度60°C，戶外型有灰沙、鹽霧侵蝕額定轉(zhuǎn)矩1000Nm結(jié)構(gòu)型式全封閉防爆型，無法采用光電傳感器，采用霍爾元件，利用磁鋼邊緣效應(yīng)定

15、位額定電流28.5A轉(zhuǎn)軸外徑不小于135mm過載轉(zhuǎn)矩倍數(shù)4（在050%額定轉(zhuǎn)速范圍）相數(shù)3最高轉(zhuǎn)速150rpm（仍維持恒轉(zhuǎn)矩特性，但變頻器輸出電壓380V）接法Y電源電壓380V±10工作制連續(xù)額定頻率25Hz轉(zhuǎn)子磁鋼極對(duì)數(shù)12表3. 螺桿泵直驅(qū)系統(tǒng)永磁電機(jī)性能參數(shù)表性能參數(shù)效率91.9%功率因數(shù)0.98最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)>4（變頻器輸出電壓為380V時(shí)，050%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)）定子銅耗828.5W空載損耗250W總損耗1143.5W1.7 永磁無刷電機(jī)與其它類型電機(jī)的比較與有刷直流電機(jī)和感應(yīng)異步電機(jī)相比，BLDC電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)而缺點(diǎn)很少。無刷電機(jī)需要較少維護(hù)，因此相對(duì)于有刷直流電

16、機(jī)其壽命較長。單位體積下與有刷直流電機(jī)和感應(yīng)異步電機(jī)相比，BLDC電機(jī)能夠輸出更大功率。由于BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)子是由永磁體構(gòu)成，因而相對(duì)于其它類型電機(jī)BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小。這就提高了系統(tǒng)的加減速性能，縮短了運(yùn)轉(zhuǎn)周期。BLDC電機(jī)的線性速度/轉(zhuǎn)矩外特性使得速度調(diào)節(jié)具有可預(yù)測性。BLDC電機(jī)運(yùn)行時(shí)比有刷直流電機(jī)產(chǎn)生的噪音更小，減小了電磁干擾（EMI）。表4是BLDC電機(jī)與有刷直流電機(jī)的對(duì)比，表5是BLDC電機(jī)與感應(yīng)異步電機(jī)的對(duì)比。表4. 永磁無刷交流電機(jī)與有刷直流電機(jī)的比較特性永磁無刷交流電機(jī)有刷直流電機(jī)換向方式依靠霍爾傳感器進(jìn)行電子換向機(jī)械電刷換向維護(hù)量由于不使用電刷很少需要維護(hù)需要周期性

17、維護(hù)壽命較長較短速度/轉(zhuǎn)矩特性平滑在額定負(fù)載下能夠在全范圍速度內(nèi)工作較為平滑在高速情況下，電刷的摩擦增大，減少了電機(jī)輸出的有用轉(zhuǎn)矩效率高電刷上無電壓降中等輸出功率/體積比高由于熱特性較高電機(jī)體積減小，由于BLDC電機(jī)定子固定在殼體上，散熱性能較好中等或較低電機(jī)電樞產(chǎn)生的熱量需要通過氣隙散熱，導(dǎo)致氣隙溫度升高限制了電機(jī)的輸出功率/體積比轉(zhuǎn)子慣量低，電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成，提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能較高，轉(zhuǎn)子慣量限制了電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能調(diào)速范圍較寬不存在電刷或換向器的機(jī)械限制較低存在電刷機(jī)械限制產(chǎn)生的電磁噪音低電刷產(chǎn)生的電磁噪音會(huì)對(duì)周圍設(shè)備造成干擾制造成本較高由于采用永磁體，因而制造成本較高低控制控制系統(tǒng)復(fù)

18、雜而且昂貴控制簡單且低廉控制要求必須依靠控制器才能使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，借助控制器可以調(diào)速控制對(duì)于恒速運(yùn)行不需要控制器，如果需要調(diào)節(jié)速度則需要配備相應(yīng)的控制器表5. 永磁無刷交流電機(jī)與交流異步感應(yīng)電機(jī)的比較特性永磁無刷交流電機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)速度/力矩特性平滑在額定負(fù)載下、在可調(diào)速范圍內(nèi)特性基本不變非線性低速下輸出力矩較小輸出功率與體積大小比高轉(zhuǎn)子為永磁體，因此在給定功率下電機(jī)體積較小一般轉(zhuǎn)子和定子都有繞組，輸出功率與體積比不如永磁無刷交流電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量低電機(jī)動(dòng)態(tài)性能較好高電機(jī)動(dòng)態(tài)性能較差啟動(dòng)電流額定值不需要額外的啟動(dòng)電路最高大約是額定電流的七倍是否需要驅(qū)動(dòng)裝置必須配備相應(yīng)的控制裝置，并且可利用該裝置進(jìn)行調(diào)速

19、控制恒定轉(zhuǎn)速情況下不需要控制器，如需調(diào)速則需配備調(diào)速裝置轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)子與定子之間無旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)子與定子間有轉(zhuǎn)差，且當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)差增大2、霍爾傳感器與有刷直流電機(jī)不同，BLDC電機(jī)的換相采用電子方式控制。為了使BLDC電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，定子繞組必須按順序加電。因此知道轉(zhuǎn)子的位置信息很重要，這樣才能決定按照加電順序哪個(gè)繞組導(dǎo)通。轉(zhuǎn)子的位置信息一般采用內(nèi)嵌在定子上的霍爾傳感器來檢測。實(shí)際設(shè)計(jì)中霍爾傳感器安置在電機(jī)的端蓋上，避免安裝在定子鐵心端部受繞組電流的影響，同時(shí)容易更換和維修霍爾傳感器。任何時(shí)刻當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極靠近霍爾傳感器時(shí)，傳感器就會(huì)給出高電平或低電平，表明是N或S極靠近傳感器。依靠三個(gè)霍爾傳感器給出信號(hào)

20、的組合，就可以決定確切的換相順序。2.1 霍爾效應(yīng)理論霍爾效應(yīng)理論：如果將一個(gè)帶電的導(dǎo)體放置在磁場當(dāng)中，磁場就會(huì)給運(yùn)動(dòng)的載流子施加橫向作用力，將載流子推到導(dǎo)體的一側(cè)。這在薄片型的導(dǎo)體中更為明顯。導(dǎo)體一側(cè)電荷的不斷累積就會(huì)平衡磁場的影響，從而在導(dǎo)體的兩側(cè)產(chǎn)生可測量的電勢差。這種可測量電壓的產(chǎn)生就稱之為霍爾效應(yīng)，它是以1879年發(fā)現(xiàn)該原理的E.H.hall的名字命名。霍爾效應(yīng)可以形象地比喻為：好比一條路, 本來大家是均勻的分布在路面上, 往前移動(dòng). 當(dāng)有磁場時(shí), 大家可能會(huì)被推到靠路的右邊行走. 故路 (導(dǎo)體) 的兩側(cè), 就會(huì)產(chǎn)生電壓差. 這個(gè)就叫“霍爾效應(yīng)”。霍爾效應(yīng)的原理圖如圖6所示。2.2

21、霍爾位置傳感器霍爾器件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器， 圖6為霍爾效應(yīng)原理圖。在一塊通電的半導(dǎo)體薄片上，加上和片子表面垂直的磁場H，在薄片的橫向兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓Vh。當(dāng)加上和片子表面垂直的磁場-H時(shí)，在薄片的橫向兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)反向的電壓-Vh。圖6霍爾效應(yīng)原理圖圖7霍爾傳感器電路圖霍爾元件電路如圖7所示，當(dāng)某霍爾下方有磁場方向的改變時(shí)，其對(duì)應(yīng)的OUT腳上的電平會(huì)有改變，如果將三個(gè)霍爾在定子上分別按120度角安裝，則可以由此判斷出轉(zhuǎn)子的狀態(tài)?；魻杺鞲衅餍枰獠刻峁╇娫础ｋ娫措妷簭?V-24V，需要的電流在515mA之間。3、永磁無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3.1驅(qū)動(dòng)器基本構(gòu)成驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)

22、成，其功能主要是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。永磁無刷交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功能結(jié)構(gòu)如圖8所示，實(shí)際外形圖如圖9所示。驅(qū)動(dòng)器外部電源為380V交流電網(wǎng)，濾波器由三個(gè)電抗器組成，去除電網(wǎng)和整流逆變兩部分之間高次諧波的影響，整流部分由六個(gè)整流二極管組成，經(jīng)電容濾波后供給逆變部分。系統(tǒng)控制功能由單片微處理器實(shí)現(xiàn)，接收電機(jī)電流采樣信號(hào)、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，與鍵盤、顯示部分的單片微處理器通過串行口進(jìn)行通訊，接受操作命令或?qū)⑦^程變量上傳顯示

23、。逆變部分中IGBT功率模塊的開關(guān)信號(hào)也由系統(tǒng)控制生成。剎車部分由Y型連接的三相電阻及開關(guān)電路構(gòu)成，將系統(tǒng)停機(jī)時(shí)泵桿彈性恢復(fù)產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)過程中的能量消耗掉。圖8驅(qū)動(dòng)器功能結(jié)構(gòu)圖圖9驅(qū)動(dòng)器外形圖電磁剎車電阻操作面板接觸器閘刀開關(guān)3.2 驅(qū)動(dòng)器換向工作原理圖10 螺桿泵BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制原理簡圖圖10是驅(qū)動(dòng)器的控制原理簡圖。主電路是一個(gè)典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻的對(duì)稱交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的H3、H2、H1方波，從而產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號(hào)：010、011、001、101、100、110，通過邏輯組件處理產(chǎn)生V6V1導(dǎo)通、V

24、5V6導(dǎo)通、V4V5導(dǎo)通、V3V4導(dǎo)通、V2V3導(dǎo)通、V1V2導(dǎo)通，也就是說將直流母線電壓依次加在U>V、W>V、W>U、V>U、V>W、U>W上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對(duì)N-S極，V1、V2、V3、V4、V5、V6各功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng)60°電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于60°電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進(jìn)60°電角度，如此

25、循環(huán)，直流無刷電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。 3.3 永磁無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器采用120度方波的算法驅(qū)動(dòng)IGBT從而來驅(qū)動(dòng)直流無刷電動(dòng)機(jī)。對(duì)IGBT信號(hào)的分配和電動(dòng)機(jī)的位置有著緊密的聯(lián)系，從BLDC的霍爾傳感器反饋回來的位置信號(hào)經(jīng)過編碼后是：010、011、001、101、100和110六種狀態(tài)，所以可以根據(jù)這六種位置狀態(tài)信息來分配IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在這里優(yōu)先選用了IGBT的上橋臂用分配PWM信號(hào)，下橋臂分配高低電平的驅(qū)動(dòng)方式，所以可以通過改變上橋臂PWM的占空比來改變加在直流無刷電動(dòng)機(jī)上的端電壓。信號(hào)分配和位置關(guān)系如圖11所示。 圖11 位置驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)系圖010011001101100110其中：V1、V2、V3、V4、V5和V6表示IGBT組成的三相全控橋電路，上橋的V1、V3和V5三個(gè)功率管，下橋的V2、V4和V6三個(gè)功率管，分別控制這U、V和W三相直流電的流向，如圖10所示連接方式。H1、H2和H3是霍爾傳感器的三個(gè)信號(hào)出線。如果換流不對(duì)或不當(dāng)?shù)?/p>