直流無刷電動機工作原理與控制方法.doc

直流無刷電動機工作原理與控制方法序言由于直流無刷電動機既具有交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具備直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，故在當今國民經(jīng)濟各領(lǐng)域應用日益普及。一個多世紀以來，電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活中。其主要類型有同步電動機、異步電動機和直流電動機三種。由于傳統(tǒng)的直流電動機均采用電刷以機械方法進行換向，因而存在相對的機械摩擦，由此帶來了噪聲、火化、無線電干擾以及壽命短等弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點，從而大大限制了它的應用范圍，致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大多數(shù)均采用三相異步電動機。針對上述傳統(tǒng)直流電動機的弊病，早在上世紀30年代就有人開始研制以電子換向代替電刷機械換向的直流無刷電動機。經(jīng)過了幾十年的努力，直至上世紀60年代初終于實現(xiàn)了這一愿望。上世紀70年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導體功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料的問世，均為直流無刷電動機的廣泛應用奠定了堅實的基礎(chǔ)。三相直流無刷電動機的基本組成直流無刷永磁電動機主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等），轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù)（2p=2,4,）組成。圖1所示為三相兩極直流無刷電機結(jié)構(gòu)，圖1 三相兩極直流無刷電機組成三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應的功率開關(guān)器件聯(lián)結(jié)，A、B、C相繞組分別與功率開關(guān)管V1、V2、V3相接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)軸相聯(lián)結(jié)。當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各項繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機械換向器的換向作用。圖2為三相直流無刷電動機半控橋電路原理圖。此處采用光電器件作為位置傳感器，以三只功率晶體管V1、V2和V3構(gòu)成功率邏輯單元。圖2 三相直流無刷電動機三只光電器件VP1、VP2和VP3的安裝位置各相差120度，均勻分布在電動機一端。借助安裝在電動機軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板的作用，使從光源射來的光線一次照射在各個光電器件上，并依照某一光電器件是否被照射到光線來判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置。圖3 開關(guān)順序及定子磁場旋轉(zhuǎn)示意圖圖2所示的轉(zhuǎn)子位置和圖3 a）所示的位置相對應。由于此時廣電器件VP1被光照射，從而使功率晶體V1呈導通狀態(tài)，電流流入繞組A-A，該繞組電流同轉(zhuǎn)子磁極作用后所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子的磁極按圖3中箭頭方向轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖3 b）所示的位置時，直接裝在轉(zhuǎn)子軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板亦跟著同步轉(zhuǎn)動，并遮住VP1而使VP2受光照射，從而使晶體管V1截至，晶體管V2導通，電流從繞組A-A斷開而流入繞組B-B，使得轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)朝箭頭方向轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖3 c）所示的位置時，此時旋轉(zhuǎn)遮光板已經(jīng)遮住VP2，使VP3被光照射，導致晶體管V2截至、晶體管V3導通，因而電流流入繞組C-C，于是驅(qū)動轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)朝順時針方向旋轉(zhuǎn)并回到圖3 a）的位置。這樣，隨著位置傳感器轉(zhuǎn)子扇形片的轉(zhuǎn)動，定子繞組在位置傳感器VP1、VP2、VP3的控制下，便一相一相地依次饋電，實現(xiàn)了各相繞組電流的換相。在換相過程中，定子各相繞組在工作氣隙內(nèi)所形成的旋轉(zhuǎn)磁場是跳躍式的。這種旋轉(zhuǎn)磁場在360度電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)120度電角度。各相繞組電流與電動機轉(zhuǎn)子磁場的相互關(guān)系如圖3所示。圖3a）為第一種狀態(tài)，F(xiàn)a為繞組A-A通電后所產(chǎn)生的磁動勢。顯然，繞組電流與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)過120度電角度后，便進入第二狀態(tài)，這時繞組A-A斷電，而B-B隨之通電，即定子繞組所產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)過了120度，如圖3 b）所示，電動機定子繼續(xù)沿順時針方向旋轉(zhuǎn)；再轉(zhuǎn)120度電角度，便進入第三狀態(tài)，這時繞組B-B斷電，C-C通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場又轉(zhuǎn)過了120度電角度，如圖3 c）所示；它繼續(xù)驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)過120度電角度后就恢復到初始狀態(tài)。圖4示出了各相繞組的導通順序的示意圖。圖4 各相繞組的導通示意圖位置傳感器位置傳感器在直流無刷電動機中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后去控制定子繞組換相。位置傳感器種類較多，且各具特點。在直流無刷電動機中常見的位置傳感器有以下幾種：電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器、磁敏式位置接近傳感器。電磁式位置傳感器在直流無刷電動機中，用得較多的是開口變壓器。用于三相直流無刷電動機的開口變壓器由定子和跟蹤轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子一般有六個極，它們之間的間隔分別為60度，其中三個極上繞一次繞組，并相互串聯(lián)后通以高頻電源，另外三個極分別繞上二次繞組WA、WB、WC。它們之間分別相隔120度。跟蹤轉(zhuǎn)子是一個用非導磁材料做成的圓柱體，并在它上面鑲一塊120度的扇形導磁材料。在安裝時將它與電動機轉(zhuǎn)軸相聯(lián)，其位置對應于某一磁極。一次繞組所產(chǎn)生的高頻磁通通過跟蹤轉(zhuǎn)子上的到此材料耦合到二次繞組上，故在二次繞組上產(chǎn)生感應電壓，而另外兩相二次繞組由于無耦合回路同一次繞組相聯(lián)，其感應電壓基本為零。隨著電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，扇形片也跟著旋轉(zhuǎn)，使之離開當前耦合一次繞組而向下一個一次繞組靠近。就這樣，隨著電動機轉(zhuǎn)子運動，在開口變壓器二次繞組上分別感應出電壓。扇形導磁片的角度一般略大于120度電角度，常采用130度電角度左右。在三相全控電路中，為了換相譯碼器的需要，扇形導磁片的角度為180度電角度。同時，扇形導磁片的個數(shù)應同直流無刷電動機的極對數(shù)相等。接近開關(guān)式位置傳感器主要由諧振電路及扇形金屬轉(zhuǎn)子兩部分組成，當扇形金屬轉(zhuǎn)子接近震 蕩回路電感L時，使該電路的Q值下降，導致電路正反饋不足而停振，故輸出為零。扇形金屬轉(zhuǎn)子離開電感元件L時，電路的Q值開始上升，電路又重新起振，輸出高頻調(diào)制信號，經(jīng)二極管檢波后，取出有用控制信號，去控制邏輯開關(guān)電路，以保證電動機正確換向。光電式位置傳感器前面已經(jīng)講過，是利用光電效應制成的，由跟隨電動機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組成。磁敏式位置傳感器是指它的某些電參數(shù)按一定規(guī)律隨周圍磁場變化的半導體敏感元件。其基本原理為霍爾效應和磁阻效應。常見的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻器及磁敏二極管等多種。研究結(jié)果表明，在半導體薄片上產(chǎn)生的霍爾電動勢E可用下式表示： 式中RH 霍爾系數(shù)（ ）；IH控制電流（A）；B磁感應強度（T）；d薄片厚度（m）；p材料電阻率（*s）；u材料遷移率（ ）；若在上式中各常數(shù)用KH表示，則有E=KHIHB霍爾元件產(chǎn)生的電動勢很低，直接應用很不方便，實際應用時采用霍爾集成電路?；魻栐敵鲭妷旱臉O性隨磁場方向的變化而變化，直流無刷電動機的位置傳感器選用開關(guān)型霍爾集成電路。磁阻效應是指元件的電阻值隨磁感應強度而變化，根據(jù)磁阻效應制成的傳感器叫磁阻電阻。三相直流無刷電動機的運行特性要十分精確地分析直流無刷電動機的運行特性，是很困難的。一般工程應用中均作如下假定：（1）電動機的氣隙磁感應強度沿氣隙按正弦分布。（2）繞組通電時，該電流所產(chǎn)生的磁通對氣隙所產(chǎn)生的影響忽略不計。（3）控制電路在開關(guān)狀態(tài)下工作，功率晶體管壓降 為恒值。（4）各繞組對稱，其對應的電路完全一致，相應的電氣時間常數(shù)忽略不計。（5）位置傳感器等控制電路的功耗忽略不計。由于假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的磁感應強度在電動機氣隙中是按正弦規(guī)律分布的，即B=BMsin 。這樣，如果定子某一相繞組中通一持續(xù)的直流電流，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為TM=ZDLBMrIsin式中， ZD每相繞組的有效導體數(shù)；L繞組中導線的有效長度，即磁鋼長度；r電動機中氣隙半徑；I繞組相電流。就是說某一相通以不變的直流后，它和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也將隨轉(zhuǎn)子位置的不同而按正弦規(guī)律變化，如圖5所示。圖5 在恒定電流下的單相轉(zhuǎn)矩它對外負載講，所得的電動機的平均轉(zhuǎn)矩為零。但在直流無刷電動機三相半控電路的工作情況下，每相繞組中通過1/3周期的矩形波電流。該電流和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線上相當于1/3周期的一段，且這一段曲線與繞組開始通電時的轉(zhuǎn)子相對位置有關(guān)。顯然在圖6 a所示的瞬間導通晶體管，則可產(chǎn)生最大的平均轉(zhuǎn)矩。因為在這種情況下，繞組通電120度的時間里，載流導體正好處在比較強的氣隙磁場中。所以它所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動脈動最小，平均值較大。習慣上把這一點選作晶體管開始導通的基準點，定為 。在 =0度的情況下，電動機三相繞組輪流通電時所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩如圖6b 所示。圖6 三相直流無刷電動機半空橋轉(zhuǎn)矩如若晶體管的導通時間提前或滯后，則均將導致轉(zhuǎn)矩的脈動值增加，平均值減小。當 =30度時，電動機的瞬時轉(zhuǎn)矩過零點，這就是說，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某幾個位置時，電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為零，電動機起動時會產(chǎn)生死點。當 30度后，電動機轉(zhuǎn)矩的瞬時值將出現(xiàn)負值，則總輸出轉(zhuǎn)矩的平均值更小。因此，在三相半控的情況下，特別是在起動時， 不宜大于30度，而在直流無刷電動機正常運行時，總是盡力把 角調(diào)整到0度，使電動機產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩最大。當 =0度時，可以求得輸出轉(zhuǎn)矩的平均值 ：電動機在電動轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動后，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場就要切割定子繞組，在各相繞組上感生出電動勢，當其轉(zhuǎn)速n不變時，該電動勢波形也是正弦波，相位同轉(zhuǎn)矩相位一致。在本電路中，每相繞組在一個周期中只通電 ，因此僅在這 期間對外加電壓起作用。所以對外加電壓而言，感生電動勢波形如圖7所示。圖7 三相直流無刷電動機半控電路的反電動勢同理可按下式求得感生電動勢的平均值 ：從上面的平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動勢，便可求得直流無刷電動機穩(wěn)定運行時的電壓平衡方程式，為此首先定義反電動勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)：對于某個具體的電動機，它們?yōu)槌?shù)。當然，其大小同主回路的接法以及功率晶體管的換相方式有關(guān)。直流無刷電動機三相半控橋的電壓平衡方程組為： 其中 ， ， ，將其代入上式整理后，可得其機械特性方程為式中 n電動機轉(zhuǎn)速（r/min ）；U電源電壓（V）；U 功率管管壓降（V）；Kc電動勢系數(shù)；Ta電動機產(chǎn)生的電動轉(zhuǎn)矩平均值（N?m）；KT轉(zhuǎn)矩系數(shù)；R電動機的內(nèi)阻（）。在三相半控電路中，其轉(zhuǎn)矩的波動在TM 到TM/2 之間，這是直流無刷電動機不利的一面。 三相直流無刷電動機的應用三相半控電路常見的三相半控電路如圖8所示，圖中LA、LB、LC為電動機定子A、B、C三相繞組，VF1、VF2、VF3為三只MOSFET功率管，主要起開關(guān)作用。H1、H2、H3為來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號。如前所述，在三相半控電路中，要求位置傳感器的輸出信號1/3周期為高電平，2/3周期為低電平，并要求各傳感器信號之間的相位也是1/3周期。圖8 三相半控橋電路和一般電動機一樣，在電動機起動時，由于其轉(zhuǎn)速很低，故轉(zhuǎn)子磁通切割定子繞組所產(chǎn)生的反電動勢很小，因而可能產(chǎn)生過大電流I。為此，通常需要附加限流電路，圖9為常見的一種，圖中的電壓比較器，主要用來限制主回路電流，當通過電動機繞組的電流I在反鎖電阻Rf上的壓降IRf大于某給定電壓U0時，比較器輸出低電平，同時關(guān)斷了VF1、VF2、VF3 三只功率場效應晶體管，即切斷了主電路。當IRfU0時，比較器不起任何作用。當IRfU0時，比較器輸出高電平，這時它不起任何作用。I0=U0/Rf 就是所要限制的電流最大值，其大小視具體要求而定。一般取額定電流的2倍左右。圖9 起動電流的限制三相Y聯(lián)結(jié)電路三相半控電路結(jié)構(gòu)簡單，但電動機本體的利用率很低，每個繞組只通電1/3周期，沒有得到充分的利用，而且在運行中轉(zhuǎn)矩波動較大。在要求較高的場合，一般均采用如圖10所示的三相全控電路。三相全控電路有兩兩換相和三三換相兩種方式圖10 三相全控電路在該電路中，電動機的三相繞組為Y聯(lián)結(jié)。如采用兩兩通電方式，當電流從功率管VF1和VF2導通時，電流從VF1流入A相繞組，再從C相繞組經(jīng)VF2流回到電源。如果認定流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，那么從繞組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負，他們合成的轉(zhuǎn)矩大小為 ，方向在Ta和-Tc角平分線上。當電動機轉(zhuǎn)過60度后，由VF1VF2通電換成VF2VF3通電。這時，電流從VF3流入B相繞組，再從C相繞組流出經(jīng)VF2回到電源，此時合成的轉(zhuǎn)矩大小同樣為 。但合成轉(zhuǎn)矩T的方向轉(zhuǎn)過了60度電角度。而后每次換相一個功率管，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過60度電角度。所以，采用三相Y聯(lián)結(jié)全控電路兩兩換相方式，合成轉(zhuǎn)矩增加了 倍。每隔60度電角度換相一次，每個功率管通電120度，每個繞組通電240度，其中正向通電和反向通電各120度。其輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖11所示。從圖中可以看出，三相全控室的轉(zhuǎn)矩波動比三相半控時小，從0.87Tm到Tm 。 圖11 全控橋輸出波形圖三三通電方式，這種通電的順序為VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3。當VF6VF1VF2導通時，電流從VF1管流入A相繞組，經(jīng)B和C相繞組分別從VF6和VF2流出。經(jīng)過60度電角度后，換相到VF1VF2VF3通電，這時電流分別從VF1和VF3流入，經(jīng)A和B相繞組再流入C相繞組，經(jīng)VF2流出。在這種通電方式里，每瞬間均有三個功率管通電。每隔60度換相一次，每次有一個功率管換相，每個功率管通電180度。合成轉(zhuǎn)矩為1.5Ta.三相聯(lián)結(jié)電路也可以分為兩兩通電和三三通電兩種控制方式。兩兩通電方式的通電順序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1、VF1VF2，當VF1VF2導通時，電流從VF1流入，分別通過A相繞組和B、C兩相繞組，再從VF2流出。這時繞組的聯(lián)結(jié)是B、C兩相繞組串聯(lián)后再通A相繞組并聯(lián)，如果假定流過A相繞組的電流為I，則流過B、C相繞組的電流分別為I/2。這里的合成轉(zhuǎn)矩為A相轉(zhuǎn)矩的1.5倍。三三通電方式的順序是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3，當VF6VF1VF2通電時，電流從VF1管流入，同時經(jīng)A和B相繞組，再分別從VF6和VF2管流出，C相繞組則沒有電流通過，這時相當于A、B兩相繞組并聯(lián)。這時相當于A、B兩繞組并聯(lián)，合成轉(zhuǎn)矩為A相轉(zhuǎn)矩的倍。直流無刷電動機的微機控制圖12示出采用8751單片機來控制直流無刷電動機的原理框圖。8751的P1口同7406反相器聯(lián)結(jié)控制直流無刷電動機的換相，P2口用于測量來自于位置傳感器的信號H1、H2、H3，P0口外接一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 圖12 直流無刷電動機計算機控制原理圖換相的控制根據(jù)定子繞組的換相方式，首先找出三個轉(zhuǎn)子磁鋼位置傳感器信號H1、H2、H3的狀態(tài)，與6只功率管之間的關(guān)系，以表格形式放在單片機的EEPROM中。8751根據(jù)來自H1、H2、H3的狀態(tài)，可以找到相對應的導通的功率管，并通過P1口送出，即可實現(xiàn)直流無刷電動機的換相。起動電流的限制主回路中串入電阻R13，因此Uf=R13*IM，其大小正比于電動機的電流IM。而Uf和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U0分別送到LM324運算放大器的兩個輸入端，一但反饋電壓大于Uf大于來自數(shù)模轉(zhuǎn)換的給定信號U0，則LM324輸出低電平，使主回路中3只功率管VF4、VF6、VF2不能導通，從而截斷直流無刷電動機定子繞組的所有電流通路，迫使電動機電流下降，一旦電流下降到使Uf小于U0，則LM324輸出回到高電平。主回路又具備導通能力，起到了限制電流的作用。轉(zhuǎn)速的控制在直流無刷電動機正常運行的過程中，只要通過控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U0，就可控制直流無刷電動機的電流，進而控制電動機的電流。即8751單片機通過傳感器信號的周期，計算出電動機的轉(zhuǎn)速，并把它同給定轉(zhuǎn)速比較，如高于給定轉(zhuǎn)速，則減小P2口的輸出數(shù)值，降低電動機電流，達到降低其轉(zhuǎn)速的目的。反之，則增大P2口的輸出數(shù)值，進而增大電動機的轉(zhuǎn)速。PWM控制的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制也可以通過PWM方式來實現(xiàn)。圖13和圖14為PWM控制實現(xiàn)直流無刷電動機轉(zhuǎn)速的控制。圖13 PWM控制原理圖圖14 PWM控制原理圖直流無刷電動機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，通過改變換相次序來改變其轉(zhuǎn)動方向。具體做法只需要更換一下?lián)Q相控制表。 變結(jié)構(gòu)控制的實現(xiàn)當直流無刷電動機處于起動狀態(tài)或在調(diào)整過程中，采用直流無刷電動機的運行模式，以實現(xiàn)動態(tài)相應的快速性，一旦電動機的轉(zhuǎn)速到了給定值附近，馬上把它轉(zhuǎn)入同步電動機運行模式，以保證其穩(wěn)速精度。這時計算機只需要按一定頻率控制電動機的換相，與此同時，計算機在通過位置傳感器的信號周期，來測量其轉(zhuǎn)速大小，并判斷它是否跌出同步。一旦失布，則馬上轉(zhuǎn)到直流無刷電動機運行，并重新將其拉入同步。圖15 直流無刷電動機的變結(jié)構(gòu)控制無刷直流電機經(jīng)典換相方式1、引言 你希望在你的新產(chǎn)品中使用無刷伺服電機嗎？平時，我們可能也常碰到一些關(guān)鍵詞，例如“梯形波式”，“正弦波式”和“矢量控制”。只有當你了解了他們的真正含義，才能在你的新設(shè)計中選擇正確的產(chǎn)品。 在過去的十年甚至二十年中，伺服電機市場已經(jīng)從有刷伺服轉(zhuǎn)變成無刷伺服的市場，這主要是由無刷伺服的低維修率和高穩(wěn)定性所決定的。在這十幾年中，驅(qū)動部分在電路和系統(tǒng)方面的技術(shù)已發(fā)展的非常完善。控制方式也已經(jīng)完全可以實現(xiàn)那些關(guān)鍵詞所描述的功能。 大部分的高性能的伺服系統(tǒng)都采用一個內(nèi)部控制環(huán)來控制力矩。這個內(nèi)部的力矩環(huán)通過和外部的速度環(huán)和位置環(huán)的配合以達到不同的控制效果。外部控制環(huán)的設(shè)計是與匹配的電機沒有關(guān)系的，而內(nèi)部的力矩環(huán)的設(shè)計則與所匹配的電機的性能息息相關(guān)。 有刷電機的力矩控制是非常簡單的，因為有刷電機自身可完成換相工作。所輸出的力矩是和有刷電機兩極輸入的直流電壓成正比的。力矩也可通過P-I控制回路輕松地得到控制。P-I控制回路的主要功能就是通過檢測電機實際電流和控制電流之間的偏差，實時地調(diào)整電機的輸入電壓。 圖1 由于無刷電機自身沒有換相功能，所以相對應的控制方式就比較復雜。無刷電機有三組線圈，有別于有刷電機的兩組線圈。為了獲得有效的力矩，無刷電機的三組線圈必須根據(jù)轉(zhuǎn)子的實際位置進行相互獨立的控制。這種驅(qū)動方式就充分地說明了對無刷電機控制的復雜性。 2、無刷電機基礎(chǔ) 簡單來說，無刷電機主要由旋轉(zhuǎn)的永磁體（轉(zhuǎn)子）和三組均勻分布的線圈（定子）組成，線圈包圍著定子被固定在外部。電流流經(jīng)線圈產(chǎn)生磁場，三組磁場相互疊加形成一個矢量磁場。通過分別控制三組線圈上的電流大小，我們可以使定子產(chǎn)生任意方向和大小的磁場。同時，通過定子和轉(zhuǎn)子磁場之間的相互吸引和排斥，力矩便可自由地得到控制。 圖2 對于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的任意角度，定子都存在著一個最優(yōu)化的磁場方向，能產(chǎn)生最大的力矩；同樣，定子也能產(chǎn)生一個無力矩輸出的磁場方向。簡單地說，如果定子生成的磁場和轉(zhuǎn)子永磁體的磁場方向一致，電機就不會輸出任何力矩。在這種情況下，兩個磁場還是存在相互的作用力的，但由于這個力的方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸方向一致，所以，兩個磁場只產(chǎn)生對軸承的壓力，沒有產(chǎn)生任何的旋轉(zhuǎn)力。另一方面，如果定子產(chǎn)生的磁場方向正交于轉(zhuǎn)子的磁場方向，這就會產(chǎn)生一個力讓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，而且這也就是產(chǎn)生最大力矩的位置。 定子產(chǎn)生的任意方向及大小的磁場可以被分解成平行和垂直于轉(zhuǎn)子磁場方向的兩個分量。這樣，相互正交的磁場產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，而相互平行的磁場產(chǎn)生的便是對軸承的壓力。出于這個原因，一個高效的無刷電機驅(qū)動的功能就是減少相互平行的磁場和讓相互正交的磁場最大化。 圖3 為了便于對控制系統(tǒng)進行建模和分析的需要，我們按照慣例主要對線圈電流進行控制，而不是去控制定子的磁場。因為我們可以非常容易地檢測電機的電流，而磁場（實際的磁通量）卻很難得到。 在無刷電機中，流經(jīng)三組線圈的電流直接產(chǎn)生了定子的磁場。由于這三組線圈被人為的按照相互120度角度差來安裝的，所以三組線圈所產(chǎn)生的磁場也存在相互120度的角度差。而這三個磁場相互疊加便產(chǎn)生了定子的磁場。 為了對流經(jīng)定子線圈產(chǎn)生的磁場進行建模，我們便引入了“空間電流矢量”的概念。固定線圈的空間電流矢量具有一個固定的磁場方向，這完全由通過線圈的磁通大小和流經(jīng)線圈的電流相互作用決定的。這樣，我們就可以用空間電流矢量來表征定子的磁場，這個空間電流矢量也就是三組線圈所產(chǎn)生的電流矢量的空間疊加。解釋空間電流矢量的一個直觀方式就是，我們可以假設(shè)定子僅僅由一組線圈構(gòu)成，而流經(jīng)這組線圈的電流所產(chǎn)生的磁場和前面的三組線圈產(chǎn)生的疊加磁場是一致的。 圖4 和定子磁場一樣，定子的空間電流矢量也可以被分解成垂直和平行于轉(zhuǎn)子磁體軸方向的兩個分量。垂直方向的電流分量所產(chǎn)生磁場正交于轉(zhuǎn)子的磁場，這就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)力矩。而平行于轉(zhuǎn)子磁軸方向的電流分量，所產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子磁場一致，就不會產(chǎn)生任何的力矩。所以，一個好的控制算法就需要使這個平行于轉(zhuǎn)子磁軸方向的電流分量最小化，因為，這個電流分量只會使電機產(chǎn)生多余的熱量，并加劇軸承的磨損。我們需要控制線圈的電流，以使垂直于轉(zhuǎn)子磁軸方向的電流分量達到最大。由此而得到的電機力矩和這個電流分量的大小成比例。 為了有效地獲得持續(xù)的平穩(wěn)的力矩，我們就需要一個理想的持續(xù)穩(wěn)定的磁場，以產(chǎn)生一個穩(wěn)定的定子空間電流矢量，而且這個磁場需要實時地跟隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)并與其磁場保持永遠的垂直。從轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方式來看，定子的空間電流矢量在數(shù)值上應該是一個穩(wěn)定值。所以在電機旋轉(zhuǎn)過程中，定子的空間電流矢量表征出來的應該是一個圓環(huán)。由于定子的電流矢量是由三組線圈產(chǎn)生的電流分量相互疊加而成，而且這三組線圈在物理結(jié)構(gòu)上是相互間隔120度的，所以電機的電流矢量應該是三組理想狀態(tài)的弦波信號相互疊加而成，同時，這三組弦波信號之間也存在120度的相位角。 圖5 為了使與轉(zhuǎn)子磁場同向的定子電流矢量最小化（為零）且垂直的磁場最大化，定子線圈內(nèi)的弦波電流需要隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度實時地進行相位調(diào)整。為了達到這種理想狀態(tài)，我們已經(jīng)通過各種控制方式，在對無刷電機的控制上獲得了不同層度的成功。 、梯形波式換相 控制直流無刷電機最簡單的一種方式就是所謂的“梯形波式”換相。在這種方案中，我們每次只控制一對電機線圈中的電流，而第三路線圈在電路上一直與電源不接觸。安裝在電機內(nèi)部的霍爾信號每隔60度角檢測一次，并將檢測到的結(jié)果通過數(shù)字信號反饋給電機的控制器部分。由于在梯形波換相的情況下，電機只有兩組線圈通以相同的電流，而第三組線圈電流為零，所以這種檢測方式在電機旋轉(zhuǎn)一圈中只能檢測到六個方向的電流矢量。在電機旋轉(zhuǎn)過程中，電機電流每60度改變一次，所以每個電流矢量只能標定左右30度范圍之內(nèi)的電流。電流的波形從零階躍式跳變到正向最大電流，然后再為零，再變?yōu)樨撓蜃畲箅娏鳌Ｔ谶@種情況下，電機電流在六個區(qū)域內(nèi)有規(guī)律地跳變，使得電機可以近似平滑地運轉(zhuǎn)。 圖6 請看圖7，這是無刷電機驅(qū)動的梯形波控制方式的框架圖。這里采用了一個PI控制回路來對電流進行控制。我們用實際測量的電流和需求電流進行比較，得到一個偏差信號。這個偏差信號再經(jīng)由積分和放大而產(chǎn)生一個輸出的糾偏值，這個糾偏值就是用來減少誤差的。這個由P-I控制回路產(chǎn)生的糾偏值隨后經(jīng)過PWM整定，再提供給輸出橋路。這個過程的目的就是為了保證任意線圈中的電流保持穩(wěn)定的狀態(tài)。 換相與電流控制部分沒有任何的聯(lián)系。電機中的霍爾傳感器產(chǎn)生的位置信號只是用來選擇哪一對線圈對應的輸出橋路需要通以電流，而其他橋路則保持無電流狀態(tài)。電流感應回路主要用來實時地檢測通電線圈的電流，并將信號反饋到電流控制回路中。 圖7無刷電機驅(qū)動的梯形波控制方式框架圖 雖然說梯形波換相的控制方式可以滿足許多不同的應用控制，但它仍然存在一些缺陷。因為在這種換相方式下，電流矢量只能表示六個非連續(xù)的方向，它不能表征任意30度角內(nèi)的電流變化。這就使電機的力矩以六倍于電機轉(zhuǎn)動頻率的狀態(tài)產(chǎn)生15%（1-cos（30）的波動。這種電流矢量的不精確也帶來了效率的損失，因為線圈上的部分電流對電機來說不能產(chǎn)生力矩。更為重要的是，電機每轉(zhuǎn)一圈而產(chǎn)生的六次電流通道的切換，會產(chǎn)生刺耳的噪聲，而且會使低速下電機的精度非常難控制。 梯形波式換相對無刷電機來說不能達到一個平滑和精確的控制，尤其是在低速運行的情況下。而弦波式換相就可以解決這些問題。 無刷電機的弦波式控制方式主要是通過同時控制三組線圈的電流，讓他們在電機旋轉(zhuǎn)過程中平滑地以弦波形式變化。三組線圈的電流被實時地控制以達到一個大小恒定且保持與轉(zhuǎn)子磁場方向垂直的矢量。相對于梯形波式換相，這種換相方式可消除力矩的波動和換相時候的電流跳動。 在旋轉(zhuǎn)過程中，為了讓電機的電流更接近于平滑的弦波形式，我們就需要用一個高精度的傳感器來精確測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動位置。而霍爾信號只能做出粗糙的測量，完全達不到這種高精度要求，所以我們就需要用編碼器或者類似的裝置來達到我們的要求。 圖8是無刷電機驅(qū)動的弦波式換相的框架圖。這種方式具有兩路獨立的電流控制環(huán)，以此來對電機的兩路線圈進行實時控制。因為電機是WYE型接線，所以第三組線圈的電流與另兩組線圈的電流總和大小相等，但方向相反（牛頓電流定律），因此我們不能單獨地控制第三組線圈的電流。 圖無刷電機驅(qū)動的弦波式換相框架圖 因為三組線圈的電流必須被組合成一組穩(wěn)定的電機旋轉(zhuǎn)矢量電流，而且這三組線圈相互保持120度的角度，所以三組電流必須為弦波形式，而且保持120度的相位差。位置編碼器主要用來提供兩路弦波信號，而且相互間隔120度。這兩路信號將和力矩控制信號相互疊加成一個放大的弦波式信號以得到對電機的控制力矩。這兩路電流信號經(jīng)過相位的疊加形成讓電機轉(zhuǎn)動的電流矢量。 兩路電機線圈的電流信號經(jīng)過整定而得到的弦波信號將被輸入到一對P-I控制器里。由于第三路線圈電流是另兩路的負向疊加，所以我們無需控制它。每路P-I控制器的輸出信號將被接入PWM進行調(diào)制，并通過橋路輸入到電機的線圈中。第三路線圈的控制電壓為另兩路線圈電壓的負向疊加，而這三路的控制電壓依然保持120度的相位角。為了讓實際輸出的電流波形精確地與電流控制信號吻合，所以經(jīng)過整定的電流控制矢量就必須像我們所需要的那樣旋轉(zhuǎn)平滑，大小穩(wěn)定，并且一直保持和轉(zhuǎn)子磁場方向垂直。 弦波式換相能得到梯形波式換相所不能達到的對電機的平滑控制。然而，這種理想的方式只能對電機低速運動起到非常好的平滑作用，而對于電機的高速運動則沒有任何作用。因為當速度起來后，電流環(huán)控制器必須跟蹤頻率不斷提高的弦波信號，而且還要克服振幅和頻率不斷提高的電機反電動勢。 圖 因為P-I控制器的增益和響應頻率是有限制的，所以這種電流環(huán)控制的不穩(wěn)定性很容易引起電流的相位滯后和控制誤差。速度越高，誤差越大。這也導致定子電流矢量的方向不能穩(wěn)定地跟隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場，偏離于有效的垂直方向。這就使得電機輸出的力矩變小，因此我們就需要更多的電流來保持電機的力矩。這也就表示電機的工作效率降低了。 電機轉(zhuǎn)速越高，這種情況越惡化。在某種狀態(tài)下，電機電流的方向偏移會達到90度之多，當這個時候，電機的力矩會減小為零。在采用弦波式換相的情況下，如果速度高于上述的狀態(tài)時，電機會輸出負力矩，但這是不可能發(fā)生的事。 弦波式控制方式存在著本質(zhì)的問題，就是它對電機電流的控制是一個變量的控制。當電機速度不斷提高，P-I控制器達到極限帶寬時，這種控制方式就會失去它的效用。矢量控制就可以解決這個問題，它是通過直接控制對應于轉(zhuǎn)子磁場平行和垂直方向的矢量電流分量來實現(xiàn)對定子線圈電流進行的精確控制。理論上看，矢量電流可分解成平行和垂直于轉(zhuǎn)子磁場的兩個電流分量。因為在這兩個方向上的電流是靜態(tài)的，所以P-I控制器對電流的控制就可以是直流的，而不是弦波信號。所以控制器輸出的線圈電流和電壓就是一個常量，不是原先的隨時間不斷變化的變量，這也就消除了控制器在頻率響應和