單相直流無刷電機實驗報告

1、特種電機實驗-無刷直流電機的特性分析學號：姓名：日期：2014-6-17單相無刷直流電機實驗實驗大綱一、 實驗目的a通過動手拆卸風扇，觀察內(nèi)部結構，了解單相直流無刷電機的物理結構；b通過對直流無刷電機驅動電路的測試、分析，學習單相直流無刷電動機的控制方法；c通過自行設計實驗，測試直流無刷電動機驅動電路的電氣特性以及直流無刷電動機的調(diào)速特性。二、 實驗設備本實驗的實驗對象為軸流風扇用直流無刷電動機（DC Brushless Fan），型號為NMB 2406KL-04W-B36，額定電流0.14A。其所屬型號系列（NMB 2406-04W-B30）的各項性能參數(shù)如下：實驗用到的其它操作測試設備如下

2、：萬用表，電壓源，示波器，光電反射式轉速表，電烙鐵等。三、 實驗原理直流無刷電機結構散熱風扇從通電切換磁場的方式區(qū)分，可以分為有刷和無刷兩種。有刷電機壽命短，會產(chǎn)生電火花。無刷電機沒有碳刷的磨損，壽命長，容易高速運行，無火花，已逐漸取代有刷電機。使用直流無刷電機的風扇的組成結構如下圖分為轉子和定子兩部分。轉子包括扇葉、軸心、磁環(huán)、磁環(huán)外框及油圈。定子包括軸承、PCB驅動電路等。驅動控制部分主要由霍爾元件，驅動芯片等組成。電機繞組部分，由矽鋼片、漆包線和上下絕緣線架組成。矽鋼片的功能是負責將磁極導出，以便于確定N、S的強弱；而繞組決定磁力線的方向性，包括N、S極和控制信號，不斷改變繞組極性，推動

3、磁框運轉，達到做功的目的。定子繞組多為四相（實際為單相串聯(lián)）對稱分布，即互成90夾角。固定磁場部分：由磁環(huán)提供固定磁場，以用于旋轉時的動力。直流無刷電機工作原理通常直流電機的定子由永久磁鋼組成，它的主要作用是為了在氣隙中形成磁場，電機的電樞繞組通電后能夠產(chǎn)生感應磁場，電機在運行過程中，由于電刷的作用，上述兩個磁場的方向總是相互垂直，從而產(chǎn)生最大的輸出轉矩。單相直流無刷電機中除掉了電刷，為了實現(xiàn)無電刷換向，首先將直流電機的電樞繞組至于其定子位置上，相對應的將永久磁鋼置于其轉子位置上，這和傳統(tǒng)直流電機的結構相反，但是這樣做并不夠，由于使用直流電源給定子繞組供電時，只能夠產(chǎn)生不能移動的磁場，但轉子磁

4、鋼所產(chǎn)生的磁場總是處于運動狀態(tài)，所以他們不能夠相互垂直，這樣也就不能夠驅動轉子旋轉。因此，單相直流無刷電機系統(tǒng)除了電機轉子和定子組成本體之外，還需要由控制電路、位置傳感器及功率邏輯開關構成的換向裝置。上述組合在一起才使得單相直流無刷電機運行過程中定子繞組產(chǎn)生的磁場與轉子磁鋼轉動產(chǎn)生的磁場，在空間中始終保持90左右的電角度，從而驅動電機不斷的旋轉。單相直流無刷電機的繞組形式有兩種：雙極性繞組和雙繞線繞組。啟動電壓：是指當突然通電后，能夠使風扇啟動的最小電壓，這是由控制芯片的工作電壓等決定的。風扇除正負兩條電源線以外，還有第三條線，輸出RD信號。RD信號的作用是供外部系統(tǒng)計算風扇的轉速,還有當風扇

5、出現(xiàn)異常停止轉動時,信號線輸出高壓信號反饋給系統(tǒng)報警。四、 實驗要求1） 拆卸電機仔細觀察軸流風扇用直流無刷電動機，拆開電機，注意不要損壞電機和PCB電路。2） 分析電機結構與電路分析電機的物理結構以及控制驅動電路的元件及工作原理，畫出電路原理圖。3） 設計實驗方案根據(jù)實驗對象的特點，設計實驗方案。要求測量出電機的調(diào)速特性曲線、始動電壓、電壓-電流關系曲線。五、 實驗步驟1、拆卸電機，觀察內(nèi)部結構。轉子的拆卸：撕開后面不干膠商標，壓住轉子，用鑷子或尖嘴鉗從尾軸端部摳出軸塑料扣環(huán)，拔出轉子。定子拆卸：定子是熱壓塑料固定的，需要從后尾用尖頭電烙鐵燙開一圈才能拆下，易損壞，要小心，烙鐵不能燙的太深，

6、以免損壞PCB板上的元器件。如果損壞，則根據(jù)對電路板的分析確定監(jiān)測點，在完好的電機背后鉆孔，焊接檢測引線測量。2、分析電機結構和PCB電路。分析記錄電機的結構，通過測試PCB電路，查詢芯片手冊，繪制控制驅動電路原理圖，分析控制原理，并確定需要檢測的信號或者測試量。3、分析測試控制電路電氣特性。根據(jù)得到的控制驅動電路，在合適的位置焊接引線，測量要檢測的信號或控制量。 將轉子重新裝回定子上，安上塑料扣環(huán)。連接供電電源，逐漸提高電壓，直到風扇開始轉動，記錄此時的電壓值，此電壓即為該風扇的啟動電壓。4、測試電機的調(diào)速特性在風扇的一個葉片上粘貼一反光片（膠帶或白紙片），如此可通過使用光電反射式轉速表測試

7、電機轉速n。在電源接線的+或-鉗住電流鉗，以獲得電流值I。RD信號接示波器，可觀察控制芯片給出的驅動電源頻率f。 在啟動電壓的基礎上逐步增加電壓至額定電壓，讀取并記錄電機轉速n，電流I,驅動電源頻率f。在額定電壓的情況下，逐步降低電壓至停止運轉電壓，讀取并記錄電機轉速n、電流I、驅動電源頻率f。繪制兩種情況下的電壓-轉速，轉速-電流曲線。六、 實驗注意事項 實驗過程中，需要注意以下事項：1、拆開電機要細心，避免損壞電機無法復原，兩個電機留一個備用。2、拆開過程中注意觀察與分析，判斷電機極對數(shù)，確定檢測點位置。3、實驗儀表量程選擇要注意風扇電機的額定參數(shù)，不要過載。4、風扇電機的控制電路和功率開

8、關電路是集成在一起的，電源電壓不能反向加入。電壓上限不要超過額定電壓的20%。5、開始運轉的電壓下限值并不是電機的始動電壓，而是控制電路開始工作的電壓，所以要區(qū)分開。6、注意定子鐵心的不對稱磁路。7、如果用示波器測量定子電流頻率來測量轉速，注意極對數(shù)與轉速的關系。8、測量轉速時，最好將電機固定，以免其振動影響到電機運轉。七、 實驗總結 總結本次實驗中遇到的一些問題和難點，以及所學到的新知識，對永磁無刷直流電機的一些新認識。單相無刷直流電機實驗實驗報告一、 實驗目的a通過動手拆卸風扇，觀察內(nèi)部結構，了解單相直流無刷電機的物理結構；b通過對直流無刷電機驅動電路的測試、分析，學習單相直流無刷電動機的

9、控制方法；c通過自行設計實驗，測試直流無刷電動機驅動電路的電氣特性以及直流無刷電動機的調(diào)速特性。二、 實驗設備本實驗的實驗對象為軸流風扇用直流無刷電動機（DC Brushless Fan），型號為NMB 2406KL-04W-B36，額定電流0.14A。其所屬型號系列（NMB 2406-04W-B30）的各項性能參數(shù)如下：實驗用到的其它操作測試設備如下：萬用表，電壓源，示波器，光電反射式轉速表，電烙鐵等。三、 實驗原理直流無刷電機結構散熱風扇從通電切換磁場的方式區(qū)分，可以分為有刷和無刷兩種。有刷電機壽命短，會產(chǎn)生電火花。無刷電機沒有碳刷的磨損，壽命長，容易高速運行，無火花，已逐漸取代有刷電機。

10、使用直流無刷電機的風扇的組成結構如下圖分為轉子和定子兩部分。轉子包括扇葉、軸心、磁環(huán)、磁環(huán)外框及油圈。定子包括軸承、PCB驅動電路等。驅動控制部分主要由霍爾元件，驅動芯片等組成。電機繞組部分，由矽鋼片、漆包線和上下絕緣線架組成。矽鋼片的功能是負責將磁極導出，以便于確定N、S的強弱；而繞組決定磁力線的方向性，包括N、S極和控制信號，不斷改變繞組極性，推動磁框運轉，達到做功的目的。定子繞組多為四相（實際為單相串聯(lián)）對稱分布，即互成90夾角。固定磁場部分：由磁環(huán)提供固定磁場，以用于旋轉時的動力。直流無刷電機工作原理通常直流電機的定子由永久磁鋼組成，它的主要作用是為了在氣隙中形成磁場，電機的電樞繞組通

11、電后能夠產(chǎn)生感應磁場，電機在運行過程中，由于電刷的作用，上述兩個磁場的方向總是相互垂直，從而產(chǎn)生最大的輸出轉矩。單相直流無刷電機中除掉了電刷，為了實現(xiàn)無電刷換向，首先將直流電機的電樞繞組至于其定子位置上，相對應的將永久磁鋼置于其轉子位置上，這和傳統(tǒng)直流電機的結構相反，但是這樣做并不夠，由于使用直流電源給定子繞組供電時，只能夠產(chǎn)生不能移動的磁場，但轉子磁鋼所產(chǎn)生的磁場總是處于運動狀態(tài)，所以他們不能夠相互垂直，這樣也就不能夠驅動轉子旋轉。因此，單相直流無刷電機系統(tǒng)除了電機轉子和定子組成本體之外，還需要由控制電路、位置傳感器及功率邏輯開關構成的換向裝置。上述組合在一起才使得單相直流無刷電機運行過程中

12、定子繞組產(chǎn)生的磁場與轉子磁鋼轉動產(chǎn)生的磁場，在空間中始終保持90左右的電角度，從而驅動電機不斷的旋轉。單相直流無刷電機的繞組形式有兩種：雙極性繞組和雙繞線繞組。啟動電壓：是指當突然通電后，能夠使風扇啟動的最小電壓，這是由控制芯片的工作電壓等決定的。風扇除正負兩條電源線以外，還有第三條線，輸出RD信號。RD信號的作用是供外部系統(tǒng)計算風扇的轉速,還有當風扇出現(xiàn)異常停止轉動時,信號線輸出高壓信號反饋給系統(tǒng)報警。四、 實驗要求4） 拆卸電機仔細觀察軸流風扇用直流無刷電動機，拆開電機，注意不要損壞電機和PCB電路。5） 分析電機結構與電路分析電機的物理結構以及控制驅動電路的元件及工作原理，畫出電路原理圖

13、。6） 設計實驗方案根據(jù)實驗對象的特點，設計實驗方案。要求測量出電機的調(diào)速特性曲線、始動電壓、電壓-電流關系曲線。五、 實驗步驟與實驗數(shù)據(jù)1、拆卸電機，觀察內(nèi)部結構。轉子的拆卸：撕開后面不干膠商標，壓住轉子，用鑷子或尖嘴鉗從尾軸端部摳出軸塑料扣環(huán)，拔出轉子。定子拆卸：定子是熱壓塑料固定的，需要從后尾用尖頭電烙鐵燙開一圈才能拆下，易損壞，要小心，烙鐵不能燙的太深，以免損壞PCB板上的元器件。如果損壞，則根據(jù)對電路板的分析確定監(jiān)測點，在完好的電機背后鉆孔，焊接檢測引線測量。彈簧轉子與風扇葉片做成一體，風扇葉片內(nèi)套有環(huán)形的永磁體。在轉子軸上套有一個彈簧，軸上有一圈凹槽，用來卡住塑料扣環(huán)?；魻栐S承

14、定子固定在控制驅動PCB板上，PCB板固定在風扇架上。定子有四個繞組，實際為各繞串聯(lián)，最終形成N-S-N-S的兩對極的單相系統(tǒng)。由于風扇是單向供電的，所以要產(chǎn)生N-S-N-S這樣兩對極，則必然相鄰的兩個繞組雖然通同向的電流，必需要反向繞制。按照理論知識來講，單相無刷直流電機氣隙磁路應該是不對稱的，只有這樣才能獲得啟動轉矩，然而，在實驗過程中，我并沒有發(fā)現(xiàn)磁路的不對稱?？刂乞寗覲CB板上有控制芯片LB1861M和LM393。此外霍爾元件穿透PCB板，以便能夠對轉子磁極方向檢測，并向驅動芯片輸送控制信號。2、分析電機結構和PCB電路。分析記錄電機的結構，通過測試PCB電路各焊點，繪制控制驅動電路原

15、理圖，分析控制原理。使用萬用表測量PCB上各焊點，得到控制驅動電路原理圖如上圖。主要元件有：IC為驅動控制芯片LB1861M，H為雙極性霍爾元件。輸入端的二極管用來防止電源反接以提高系統(tǒng)的安全性。通過查找LB1861的數(shù)據(jù)手冊，該電路的驅動控制原理如下圖顯然，Vct與Vrt比較，決定輸出電平的高低。通過控制Vct和Vrt，就可以控制占空比，進而控制繞組電壓，決定轉速。這就是系統(tǒng)調(diào)速的原理。然而我沒有研究明白的地方是，由于Vct（鋸齒波）和Vrt（直流信號）都是隨Vin變化而變化，而Vin是隨Vcc變化而變化，并且這所有的變化關系都不是線性的。所以，很難定量分析出系統(tǒng)的輸出占空比和系統(tǒng)輸入是線性

16、關系。3、分析測試控制電路電氣特性。通過測試分析得到的電路圖，在霍爾元件的IN+,IN-以及LB1861的OUT1端OUT2焊接引線，在繞組端W1、W2焊接測試引線，用于示波器觀測。為了便于觀察，可以測量IN+、IN-間的波形，以及OUT1、OUT2間的波形。通過調(diào)節(jié)電壓源電壓大小，測試電機啟動電壓。并測試控制芯片及霍爾元件的輸出信號。示波器探頭接RD與地，觀測RD信號。測試點的選擇：1Vcc8IN-2GND9HALL直流偏置3Vin10Rt4RD11Ct5OUT112LM393電源6OUT213LM393同相輸入端電壓7IN+藍線為out，綠線為Vrt，黃線為VctRD信號為與驅動源同頻的方

17、波，用于外部系統(tǒng)計算控制風扇轉速以及判斷風扇是否工作正常。黃色為霍爾信號，藍色為RD信號RD的頻率和霍爾信號頻率成正比，進而和轉速成正比。RD信號干擾比較大?；魻栐┻^PCB板，通過霍爾效應，檢測轉子極性，產(chǎn)生IN+、IN-信號，輸出給LB1861。實際測得的波形并不是正弦波，而是如下圖：IN+和IN-由于霍爾信號不是嚴格的正弦信號，所以對換相的準確性會有影響。藍色為LM393正電源，黃色為LM393同相輸入端，綠色為霍爾偏置電壓以上三個信號均為直流量，并且與輸入Vcc成正比。當Vcc=4.7V時，n=1260rpm，out信號波形如下：當Vcc=8.6V時，n=1370rpm，out信號波

18、形如下給定電壓增大，占空比增大，轉速提高。4、關于換相。換相是無刷直流電機一個很重要的問題。紅色圓點為霍爾傳感器的位置顯然，霍爾信號頻率f1，電機轉速n，換相頻率f2的關系為f2=2f1,n=30f1Hall信號和繞組電壓波形的對應關系下面，我們看一下實際測得的波形。綠色為hall信號，藍色為繞組兩端電壓。換相之后，電壓反相顯然，由于繞組電壓波形很不理想，導致結果不是很明顯，應當說，頻率的對應關系還是能看出來的。由于hall信號不是正弦波，導致?lián)Q相不準確。加上一些我沒弄清楚的原因，結果繞組電壓波形與方波有一定差別。5、測試電機的機械特性?？紤]到電機繞組的電流無法直接測量，同時母線電流又有一部分

19、供給了LM393和LB1861，所以，母線電流和繞組電流應該有一定的差別。同時實際測得的母線電流波形波動干擾很大，所以這里沒有分析有關電流的特性。在風扇的一個葉片上粘貼一個小黃色膠布，如此可通過使用光電反射式轉速表測試電機轉速n。在啟動電壓的基礎上逐步增加電壓至額定電壓，讀取并記錄電機轉速n，驅動電源頻率f。由電機本體物理結構為兩對極的單相電機，且直流無刷電機為同步電機，可以得到轉速與頻率的關系為n =60*f/2。誤差定義為：（測量頻率速度-測量轉速）/測量頻率速度。得到升壓時的機械特性表為電壓（V）轉速（rpm）控制信號頻率（Hz）速度與控制信號誤差4.22216731.19%5.0253

20、3831.73%5.92592860.47%6.6262888-0.45%7.4264390-2.11%8.1270992-1.85%9.4282195-1.02%11.52982981.43%12.23087103-0.10%13.33228108-0.37%實驗測得該風扇的啟動電壓約為4.2V。電機在啟動電壓下工作時，轉速較低，電流小，轉矩也小，但是由于是風扇類負載，負載轉矩與速度的平方成比例，因而，轉速較低時負載也不會大，較小的啟動轉矩也是可以的。從表中可以看出速度與控制信號的誤差很小，即兩者之間無滑差，為同步電機。由于風扇的控制系統(tǒng)為開環(huán)控制，速度給定信號一直處于波動狀態(tài)，所以通過示波

21、器讀取控制信號頻率與光電反射式測速計測速測得的不是同一個速度值，會造成兩者有計算出的正負偏差。從數(shù)據(jù)上也可以看出在8V左右，誤差比較大，在降壓時測速時計算出的誤差也表明這兩個電壓位置誤差大，可能的原因有：一，這兩個測速點上測速時，電機本身產(chǎn)生的震動比較大，由于風扇沒有固定，產(chǎn)生了震動，造成測速不準；二，芯片在這兩個電壓點附近控制出現(xiàn)錯誤，可能是霍爾提供的控制信號與驅動芯片輸出的驅動量不一致造成。從圖上可以看出，電壓與轉速近似成線性關系，也說明了電壓與頻率成等比例關系。在額定電壓的情況下，逐步降低電壓至初試運轉電壓，讀取并記錄電機轉速n，驅動電源頻率f。電壓（V）轉速（rpm）控制信號頻率（Hz）