無刷直流電機的組成及工作原理

1、無刷直流電機的組成及工作原理引言直流無刷電動機一般由電子換相電路、 轉(zhuǎn)子位置檢測電路和電動機本體三部 分組成，電子換相電路一般由控制部分和驅(qū)動部分組成， 而對轉(zhuǎn)子位置的檢測一 般用位置傳感器來完成。 工作時，控制器根據(jù)位置傳感器測得的電機轉(zhuǎn)子位置有 序的觸發(fā)驅(qū)動電路中的各個功率管， 進行有序換流， 以驅(qū)動直流電動機。 下文從 無刷直流電動機的三個部分對其發(fā)展進行分析。無刷直流電機的組成電動機本體無刷直流電動機在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電動機基本一樣， 但它的電樞繞組 放在定子上，轉(zhuǎn)子采用的重量、 簡化了結(jié)構(gòu)、提高了性能，使其可*性得以提高。 無刷電動機的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展是分不開的， 磁性材料的

2、發(fā)展過程基本上經(jīng) 歷了以下幾個發(fā)展階段：鋁鎳鈷，鐵氧體磁性材料，釹鐵硼（ NdFeB ）。釹鐵 硼有高磁能積， 它的出現(xiàn)引起了磁性材料的一場革命。 第三代釹鐵硼永磁材料的 應(yīng)用，進一步減少了電機的用銅量，促使無刷電機向高效率、小型化、節(jié)能的方 向發(fā)展。目前，為提高電動機的功率密度， 出現(xiàn)了橫向磁場永磁電機， 其定子齒槽與電樞 線圈在空間位置上相互垂直， 電機中的主磁通沿電機軸向流通， 這種結(jié)構(gòu)提高了 氣隙磁密， 能夠提供比傳統(tǒng)電機大得多的輸出轉(zhuǎn)矩。 該類型電機正處于研究開發(fā) 階段。電子換相電路控制電路： 無刷直流電動機通過控制驅(qū)動電路中的功率開關(guān)器件， 來控制電 機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩以及保護電

3、機，包括過流、過壓、過熱等保護?？刂齐娐?最初采用模擬電路， 控制比較簡單。 如果將電路數(shù)字化， 許多硬件工作可以直接 由軟件完成， 可以減少硬件電路， 提高其可靠性， 同時可以提高控制電路抗干擾 的能力，因而控制電路由模擬電路發(fā)展到數(shù)字電路。驅(qū)動電路： 驅(qū)動電路輸出電功率， 驅(qū)動電動機的電樞繞組， 并受控于控制電 路。驅(qū)動電路由大功率開關(guān)器件組成。 正是由于晶閘管的出現(xiàn)， 直流電動機才從 有刷實現(xiàn)到無刷的飛躍。 但由于晶閘管是只具備控制接通， 而無自關(guān)斷能力的半 控性開關(guān)器件，其開關(guān)頻率較低，不能滿足無刷直流電動機性能的進一步提高。 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展， 出現(xiàn)了全控型的功率開關(guān)器件，

4、 其中有可關(guān)斷晶 體管（ GTO ）、電力場效應(yīng)晶體管（ MOSFET ）、金屬柵雙極性晶體管 IGBT 模 塊、集成門極換流晶閘管 （IGCT ）及近年新開發(fā)的電子注入增強柵晶體管 （IEGT ） 隨著這些功率器件性能的不斷提高， 相應(yīng)的無刷電動機的驅(qū)動電路也獲得了飛速 發(fā)展。目前，全控型開關(guān)器件正在逐漸取代線路復(fù)雜、體積龐大、功能指標(biāo)低的 普通晶閘管， 驅(qū)動電路已從線性放大狀態(tài)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制的開關(guān)狀態(tài)， 相應(yīng)的電 路組成也由功率管分立電路轉(zhuǎn)成模塊化集成電路， 為驅(qū)動電路實現(xiàn)智能化、 高頻 化、小型化創(chuàng)造了條件。轉(zhuǎn)子位置檢測電路永磁無刷電動機是一閉環(huán)的機電一體化系統(tǒng)， 它是通過轉(zhuǎn)子磁極位置信

5、號作 為電子開關(guān)線路的換相信號， 因此， 準(zhǔn)確檢測轉(zhuǎn)子位置， 并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置及時對 功率器件進行切換， 是無刷直流電動機正常運行的關(guān)鍵。 用位置傳感器來作為轉(zhuǎn) 子的位置檢測裝置是最直接有效的方法。一般將位置傳感器安裝于轉(zhuǎn)子的軸上， 實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的實時檢測。 最早的位置傳感器是磁電式的， 既笨重又復(fù)雜， 已被 淘汰；目前磁敏式的霍爾位置傳感器廣泛應(yīng)用于無刷直流電動機中， 另外還有光 電式的位置傳感器。電機控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理本文所采用電機為MAXON公司的EC系列電機，其主要參數(shù)如下：額定功 率400W、額定電壓48V、最大工作電流、額定轉(zhuǎn)矩 688mNm、堵轉(zhuǎn)電流139A、 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩II

6、OOOmNm、空載電流740mA、空載轉(zhuǎn)速5400rpm、轉(zhuǎn)矩常數(shù)85mNm/A、 速度常數(shù) 113rpm/V 、機械時間常數(shù)、最大效率 86%、相間電阻、相間電感、轉(zhuǎn) 子慣量 831gcm 2 。無刷直流電動機 (BLCDM) ，它主要由電動機本體，霍爾位置傳感器和電子 開關(guān)線路三部分組成。 電動機本體主要包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分， 定予繞組分為 A、 B、C 三相，每相相位相差 1 20 。 ，采用星形連接，三相繞組分別與電子開關(guān)線 路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件連接；轉(zhuǎn)子由 N、S 兩極組成，極對數(shù)為 1。圖 為三相 兩極無刷直流電機結(jié)構(gòu)。電子開關(guān)線路用來控制電動機定子上各相繞組通電的順序和時間，

7、主要由功 率邏輯開關(guān)單元和霍爾位置傳感器信號處理單元兩部分組成。 功率邏輯開關(guān)單元 將電源功率以一定的邏輯分配關(guān)系分配給電機定子上的各相繞組， 以便使電機產(chǎn) 生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。 霍爾位置檢測器的作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于定子繞組的位 置信號，進而控制邏輯開關(guān)單元的各相繞組導(dǎo)通順序和時間。圖 三相兩極無刷直流電機的結(jié)構(gòu) 當(dāng)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)， 再由霍爾位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成 電信號， 去控制電子開關(guān)線路， 從而使定子各相繞組按一定次序?qū)ǎ?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

8、導(dǎo)通次序與轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)角同步，因而起到了機械換向器的換向作用。電機采用全橋驅(qū)動方式，下面介紹電機工作在全橋驅(qū)動方式下的工作原理。 圖是電機全橋驅(qū)動方式的電路圖，其中 Q1,-,Q6 為六個功率開關(guān)管，它們組成 三相橋式逆變器。 采用霍爾位置傳感器來檢測電機的轉(zhuǎn)子位置信號， 控制器根據(jù) 電機的位置信息按一定順序組合六個功率開關(guān)管的導(dǎo)通， 這樣電機的繞組也就按 順序?qū)ǎ瑢崿F(xiàn)電機的運轉(zhuǎn)。圖 電機全橋驅(qū)動方式的電路圖這里采用兩兩通電， 三相六狀態(tài)方式， 也就是指每一個瞬間上下橋臂各有兩 個功率管導(dǎo)通，每隔1 /6周期(60o電角度)換相一次，每次換相一個功率管，每 個功率管一次導(dǎo)通 120。電角度，各功

9、率管導(dǎo)通順序依次是 Q1Q4Q1Q6 Q3Q6 Q3Q2 Q5Q2 Q5Q4。表 列出了電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時三相逆變 器的通電順序表 電機全橋驅(qū)動的通電規(guī)律注：表中“ +”表不正向通電， “一”表不反向通電。電機控制策略對于星形連接的三相無刷直流電機， 在理想條件下，任何時刻只有兩相繞組 通電導(dǎo)通，第三相不導(dǎo)通。這時，導(dǎo)通的兩相電流大小相等但方向相反，不導(dǎo)通 的電流等于0，而且導(dǎo)通的兩相反電動勢大小也相等，方向相反。設(shè)加在兩相通 電繞組上的電壓平均值為U，則電壓平衡方程式為：U = 2RsI s + 2Lspls + 2Es + 2VSw = 2Ur + 2Ul + 2Es + 2VSw式中，？?

10、為電樞繞組的電阻壓降，Ul為繞組電感壓降，Es為繞組反電動勢，VSW為功率開關(guān)管壓降。其中：Ce =譽是由電機結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定的電動勢常數(shù)，B為氣隙磁感應(yīng)強度，n為電機轉(zhuǎn)速。所以，可得到電機轉(zhuǎn)速為:U-2U r-2U l-2V SW n =2CeB由上式可知，無刷直流電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可以通過改變外加平均電壓U來實現(xiàn),當(dāng)U較大時，電機轉(zhuǎn)速n就較大，當(dāng)U較小時，電機轉(zhuǎn)速n就較小。因此，控制器可通過PWM(脈寬調(diào)制)信號實現(xiàn)電機調(diào)速，通過調(diào)節(jié)逆變器 功率開關(guān)管的PWM觸發(fā)信號的占空比來改變外施的平均電壓 U,從而實現(xiàn)電機 的調(diào)速。PWM是利用半導(dǎo)體開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，把直流電壓變?yōu)橐欢ㄒ?guī)律的電壓 脈沖序

11、列，并通過控制電壓脈沖寬度或周期以實現(xiàn)調(diào)壓、 調(diào)頻和消除諧波的技術(shù)。圖3是利用開關(guān)管對電機進行PWM調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。 在圖中，當(dāng)開關(guān)管Q1柵極輸入Ui為高電平電壓時，開關(guān)管導(dǎo)通，電機電樞繞組 兩端電壓為Us。t1時間后，柵極輸入Ui變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電機電樞兩端 電壓為零。t2時間后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。 這樣，對應(yīng)著開關(guān)管QI柵極輸入的電平高低，電機電樞繞組兩端的電壓波形如圖 所示。圖PWM調(diào)速控制原理和電壓波形圖電機電樞繞組兩端的電壓平均值U為：U=匕Us = aUt1+t 2 T式中，a占空比。a= t2()占空比a表示了在一個周

12、期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間長短與周期的比值。a的變化范圍為O WaW 1。由式可知，當(dāng)電源電壓US不變時，電樞繞組兩端的電 壓平均值U取決于占空比a的大小。改變a的值即可以改變端電壓的平均值， 從 而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是電機的 PWM調(diào)速原理。在PWM調(diào)速時，占空比a是一個重要參數(shù)。由式(2.4)及丁= t1 + t2可知， 有三種方法可以改變占空比a的值：(1) 定寬調(diào)頻法：這種方法是保持t1不變，只改變t2，這樣使周期T(或頻率)也 隨之改變。(2) 調(diào)寬調(diào)頻法：這種方法是保持t2不變，只改變t1，這樣使周期T(或頻率)也 隨之改變。(3) 定頻調(diào)寬法：這種方法是保持周期T(或頻率)保持不

13、變，而同時改變t1和t2。前兩種方法由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻 率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此這兩種方法使用比較少。所以 在本控制器的電機控制系統(tǒng)中，使用定頻調(diào)寬法。PWM技術(shù)又可分為單極性PWM控制和雙極性PWM控制。單極性PWM控制 的控制信號如圖所示，在每個60。電角度的區(qū)域內(nèi)，一個功率開關(guān)管一直處于 開通狀態(tài)，另一個處于PWM狀態(tài)；雙極性PWM控制的控制信號如圖4(b)所示, 在每個60o電角度區(qū)域內(nèi)，兩個工作的功率管都工作在PWM狀態(tài)，它們同時開通， 同時關(guān)斷。觸發(fā)信號觸發(fā)信號(a)單極性PWM控制各觸發(fā)信號(b)單極性PWM控制各觸發(fā)信

14、號圖采用單極性PWM控制與采用雙極性PWM控制相比，電機電流波動較小， 而且在雙極性PWM控制狀態(tài)下，6個功率開關(guān)管都處于開關(guān)狀態(tài)，功率損耗較大。 因此，為了減少電機電流波動以及減少控制器的功耗， 本電機控制器采用單極性 的PWM控制技術(shù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用速度環(huán)和電流環(huán)以實現(xiàn)電機的雙閉環(huán)控制，其外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)采用電流環(huán)，速度反饋是通過檢測霍爾位置傳感器信息計算電機的轉(zhuǎn)速，電流反饋是通過采樣電機的相電流來實現(xiàn)的。 給定速度與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度 調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考值，它與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成相應(yīng)的PWM占空比，最后經(jīng)過電壓逆變將電源電壓加到電機三相繞組， 實現(xiàn)電機的速度

15、控制， 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。瑚度反鍛速度 調(diào)節(jié) 電流檢測F 電薇反鍛電流 科:弊屯流PWM亠調(diào)節(jié)f控制fir電壓逆變無刷直流屯機速度計算 位置檢測 亠圖系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，本控制器在電機速度調(diào)節(jié)策略方面，對傳統(tǒng) 的PID控制進行了改進，采用了積分分離PID控制作為速度調(diào)節(jié)器的控制算法。 由于在數(shù)字增量式PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，雖然積分環(huán)節(jié)可以消除靜差、提高精度, 但加入積分校正后，會造成積分積累，產(chǎn)生過大的超調(diào)量，在電機的運行過程中， 這是不理想的。所以，為了減少在電機運行過程中積分校正對控制系統(tǒng)動態(tài)性能 的影響，需要在電機的啟停階段或大幅度加減速時， 采用積分分離PID控制算法, 即只加比例、微分運算，取消積分校正。而當(dāng)電機的實際速度與給定速度的偏差 小于一定值時，則恢復(fù)積分校正作用。利用DSP的邏輯運算功能；可以很方便地確定積分分離 PID控制的進程， 實現(xiàn)電機的積分分離PID速度控制，彌補模擬PID調(diào)節(jié)控制的不足，改善系統(tǒng)的 控制性能，減少超調(diào)量，縮短速度調(diào)整時間。電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)，就是將速度調(diào)節(jié)得到的參考電流與