無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和無(wú)位置傳感器的電動(dòng)機(jī)

1、無(wú)刷電動(dòng)機(jī)前節(jié)中的永磁直流電動(dòng)機(jī)用永磁體取代了定子上的勵(lì)磁，但是仍然需要電刷換向器結(jié)構(gòu)。電刷換向器結(jié)構(gòu)是普通直流電動(dòng)機(jī)的特征和標(biāo)志，它使轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體在經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)的換向點(diǎn)的時(shí)候自動(dòng)改變電流方向，導(dǎo)致定子同一磁極下導(dǎo)體的電流方向不變，轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)始終與定子的磁場(chǎng)垂直，從而獲得最大的也是穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，保證了直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的控制性能。電刷換向器結(jié)構(gòu)也是普通直流電動(dòng)機(jī)的先天性的弱點(diǎn)，人們一直在探討利用現(xiàn)代電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)既能取消電刷，又能達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良控制性能的方案。這些方案中最著名的就是交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制，而無(wú)刷電動(dòng)機(jī)也是在這個(gè)方向上發(fā)展所取得的成果。這個(gè)發(fā)展的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)予采用恒定磁場(chǎng)，而將普通電動(dòng)機(jī)中的

2、電樞電路從轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)移到定子上去，這種勵(lì)磁和電樞位置的互換對(duì)兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)沒(méi)有影響，但是卻避免了電刷換向器結(jié)構(gòu)。如果轉(zhuǎn)子由外部直流電源勵(lì)磁，那么轉(zhuǎn)子還需要電刷和滑環(huán)，還只能稱(chēng)為無(wú)換向器電機(jī)。如果采用永磁材料制作轉(zhuǎn)子，那么就可稱(chēng)之為無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。雖然感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和后面將介紹的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也是無(wú)刷的，然而無(wú)刷電動(dòng)機(jī)則是專(zhuān)指這樣一些特種電動(dòng)機(jī)，這些電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)目的是具備與有刷直流電動(dòng)機(jī)類(lèi)似的性能，但是卻沒(méi)有電刷換向器結(jié)構(gòu)所強(qiáng)加的限制。 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)具有基本相同的本體結(jié)構(gòu)，另一個(gè)重要的共同點(diǎn)是運(yùn)行時(shí)需要通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置來(lái)確定驅(qū)動(dòng)電源的頻率，因此無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在本質(zhì)上屬于自控變頻同步電動(dòng)機(jī)。無(wú)刷電動(dòng)機(jī)因其電樞繞組

3、驅(qū)動(dòng)電流形狀的不同而分為兩種類(lèi)型：一種是方波永磁同步電動(dòng)機(jī)，其電樞驅(qū)動(dòng)電流為方波（梯形波通常被稱(chēng)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；另一種是正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)，其電樞驅(qū)動(dòng)電流為正弦波，常稱(chēng)為無(wú)刷同步電動(dòng)機(jī)。）無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本原理首先回顧一下傳統(tǒng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)。有刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上的電樞繞組由許多單獨(dú)的線圈元件組成，一個(gè)單獨(dú)的線圈元件在旋轉(zhuǎn)時(shí)其輸出轉(zhuǎn)矩的幅度有很大的變動(dòng)，實(shí)際上是按正弦規(guī)律變化的，其最大值出現(xiàn)在與定子磁場(chǎng)垂直的位置，而在換向位置時(shí)的值為零。它們不僅連接到自己的一對(duì)換向片上，而且還與其他的線圈相連，盡管電機(jī)的轉(zhuǎn)矩主要由處于最大轉(zhuǎn)矩位置的線圈元件提供，但是由于處于不同位置的其他

4、線圈元件共同作用，最終產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很小。如果將這種思想移植到無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中去，將許多線圈元件平均分布在定子上，然后采用電子線路模擬電刷換向器結(jié)構(gòu)的功能，其結(jié)果將是不僅控制電路非常復(fù)雜，而且每一個(gè)線圈元件都需要自己的單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電路。這一點(diǎn)顯然難以滿足。因此為了實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化，必須作出適當(dāng)?shù)恼壑院屯讌f(xié)。圖11.6為一個(gè)二極三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。無(wú)刷電動(dòng)機(jī)具有少則2組、多至5組的線圈繞組，稱(chēng)之為相線圈或相繞組，圖11.6中的二極三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的三個(gè)相繞組A1-A2、B1-B2和C1-C2分別繞在相對(duì)的兩個(gè)磁極上。三個(gè)繞組可按三線Y接法、四線Y接法和三線接法連接。圖11.6為目前主要應(yīng)用的三

5、線Y接法。在理想的狀態(tài)下，定子和轉(zhuǎn)子的兩個(gè)磁場(chǎng)最好是保持互相垂直，這樣才能產(chǎn)生與有刷直流電動(dòng)機(jī)相近的性能。但是無(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子相當(dāng)于只有三個(gè)線圈和三個(gè)換向片的直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組，在定子的三相繞組由直流供電的條件下，這一點(diǎn)顯然是做不到的。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子磁勢(shì)與定子磁勢(shì)之間的夾角稱(chēng)為轉(zhuǎn)矩角。定子磁場(chǎng)換相電路的設(shè)計(jì)思想是使轉(zhuǎn)矩角的平均值是90°。以二極三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，定子磁場(chǎng)按60°的增量步進(jìn)6次，并且設(shè)計(jì)換相邏輯使轉(zhuǎn)矩角在120°60°之間變化。就是當(dāng)定子磁場(chǎng)進(jìn)入6個(gè)位置之一的時(shí)刻，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)的初始夾角為120

6、76;，并受定子磁場(chǎng)的吸引朝著夾角減小的方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)夾角達(dá)到60°的時(shí)候，定子磁場(chǎng)又向前移動(dòng)一個(gè)位置，使夾角再次增加為120°。在轉(zhuǎn)子的一個(gè)60°旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，定子磁場(chǎng)保持不動(dòng)。因此在無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中，定子磁場(chǎng)的移動(dòng)有兩個(gè)特點(diǎn)：一是這種移動(dòng)是步進(jìn)的而不是連續(xù)的；二是這種步進(jìn)的速度不像步進(jìn)電動(dòng)機(jī)取決于外部的脈沖頻率，而是取決于電動(dòng)機(jī)本身的轉(zhuǎn)速，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子位置和旋轉(zhuǎn)方向的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)定子繞組的換相。所以這種電動(dòng)機(jī)是自同步的，沒(méi)有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)的失步問(wèn)題。對(duì)于不同的繞組接法可采用不同的驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)?，例如四線Y接法可采用三相半橋驅(qū)動(dòng)，而三線Y和三線接法則需要采用三相全橋驅(qū)

7、動(dòng)（圖11.7）。下面以應(yīng)用最廣泛的三相全橋驅(qū)動(dòng)的三線Y接法的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行討論。三相橋式驅(qū)動(dòng)電路在每個(gè)時(shí)刻，只有上半橋和下半橋中各一個(gè)晶體管導(dǎo)通，使外部直流電源接入A1、B1和C1三個(gè)接線端中的兩個(gè)，使得三個(gè)繞組中的兩個(gè)串聯(lián)接到電源上，而第三個(gè)繞組則沒(méi)有通電。與有刷直流電動(dòng)機(jī)的換向?qū)?yīng)的操作演變?yōu)闊o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組切換的“換相”，其換相一共有6個(gè)節(jié)拍，每個(gè)節(jié)拍代表三相繞組的一個(gè)狀態(tài)，產(chǎn)生定子磁場(chǎng)的一個(gè)確定的角度。這6個(gè)節(jié)拍的順序、導(dǎo)通的晶體管和繞組的接入極性如表11.1所示。前3拍的定子磁場(chǎng)位置如圖11.8所示。如果在正向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下各拍的順序是1-2-3-4-5-6-1的循環(huán)，那么

8、在反轉(zhuǎn)時(shí)的順序是6-5-4-3-2-1-6的循環(huán)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁由轉(zhuǎn)子提供，而氣隙磁場(chǎng)則是由轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子的電樞反應(yīng)共同形成。氣隙磁場(chǎng)的波形對(duì)電樞電流、電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的影響是不言而喻的。以往的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)都是以正弦分布的氣隙磁場(chǎng)為基礎(chǔ)(圖11.9(a)。近年來(lái)隨著材料的發(fā)展和設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，新型無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)為具有足夠?qū)挾鹊奶菪畏植?圖11.9(b)，這兩種情況下的轉(zhuǎn)矩特性是不同的。電磁轉(zhuǎn)矩可以認(rèn)為是定子的電樞磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互作用所產(chǎn)生的，如果不考慮磁路的飽和和磁勢(shì)的高次諧波，電磁轉(zhuǎn)矩表示為T(mén)=KFaFr，其中K為常數(shù)，F(xiàn)a為定子磁勢(shì)，F(xiàn)r為轉(zhuǎn)子磁勢(shì)。然而在氣隙磁場(chǎng)不

9、是均勻磁場(chǎng)的情況下，F(xiàn)a取決于電樞電流ia，F(xiàn)r取決于轉(zhuǎn)矩角，這兩者都不是常數(shù)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組具有電阻，在切割氣隙磁場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，這些和普通的直流電動(dòng)機(jī)類(lèi)似。對(duì)于三相橋式驅(qū)動(dòng)的三線Y接法，電樞中同時(shí)導(dǎo)電的兩相繞組形成當(dāng)時(shí)的電樞回路。如果氣隙磁場(chǎng)為正弦分布，則回路中的總反電動(dòng)勢(shì)為兩相繞組中反電動(dòng)勢(shì)的向量和，則可得到電樞的回路方程為式中U-電樞輸入電壓；Ra-相繞組電阻；ia-電樞電流；Ea-反電動(dòng)勢(shì)的幅值。由式(11.18)可求得電樞電流由式(11.20)可繪出正弦分布?xì)庀洞艌?chǎng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波形如圖11.10所示，可以看到轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)角有一定程度的脈動(dòng)。新型無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)改

10、進(jìn)設(shè)計(jì)，采用如加大極靴寬度等措施使得氣隙磁場(chǎng)分布為梯形。結(jié)合考慮三相橋式驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)順序，可以繪出三相Y接法的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)各相繞組中的反電動(dòng)勢(shì)EA.EB和Ec，電流iA、iB和ic，轉(zhuǎn)矩TA. TB和Tc的波形(見(jiàn)圖11.11)。從波形圖我們可以注意到以下幾點(diǎn)：(1)反電動(dòng)勢(shì)取決于磁場(chǎng)的波形，因此為相隔120°的梯形波；(2)各繞組導(dǎo)通時(shí)正處于梯形波磁場(chǎng)的平頂部分之下，得到的轉(zhuǎn)矩為120°的方波；(3)理論上合成轉(zhuǎn)矩丁為當(dāng)時(shí)導(dǎo)通的兩相繞組轉(zhuǎn)矩的代數(shù)和，得到的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩是幾乎沒(méi)有波動(dòng)的恒定轉(zhuǎn)矩。然而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的梯形波磁場(chǎng)是不可能的，梯形波頂不可能完全平直；此外，電樞電流在繞組間

11、的換向也不是可以在瞬時(shí)完成的，電流波形應(yīng)該近似于梯形波，因此轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)總是有的，特別是在換相的時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的明顯波動(dòng)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性與普通直流電動(dòng)機(jī)在本質(zhì)上相同，此處不再詳細(xì)推導(dǎo)?；贛C33033的驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和普通直流電動(dòng)機(jī)的重大區(qū)別是其多相電樞繞組安裝在定子上，而轉(zhuǎn)子則是由永磁材料制作。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行必須有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和電子開(kāi)關(guān)的配合來(lái)取代電刷和換向器。這種電動(dòng)機(jī)由直流供電，其外特性具有直流電動(dòng)機(jī)的性能，因此仍然歸屬于直流電動(dòng)機(jī)。為了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，需要采用電子技術(shù)解決轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)，正確的繞組驅(qū)動(dòng)信號(hào)的提供，以及調(diào)速運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)節(jié)等功能。在現(xiàn)代電子技術(shù)

12、的支持下，上述功能已經(jīng)可以集成化為專(zhuān)用芯片(ASIC)，這樣的芯片有MC33033、MC33035等。下面結(jié)合MC33033進(jìn)一步介紹無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的一些細(xì)節(jié)。MC33033是由ON Semiconductor生產(chǎn)的系列高性能單片直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制器中的一種，具備實(shí)現(xiàn)一個(gè)開(kāi)環(huán)的三相或四相電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)所需的全部功能，其中有轉(zhuǎn)子位置編碼、溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅麟娫?、頻率可編程的鋸齒波振蕩器、可訪問(wèn)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器等，還配備有適合于驅(qū)動(dòng)MOSFET的三個(gè)集電極開(kāi)路上橋驅(qū)動(dòng)和三個(gè)高電流推挽下橋驅(qū)動(dòng)。其保護(hù)功能有欠壓閉鎖、電流限制和過(guò)熱停機(jī)等。其應(yīng)用涉及開(kāi)環(huán)速度控制、開(kāi)?？刂坪驼崔D(zhuǎn)控制等

13、。MC33033的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)與工作原理如圖11.12所示，各部分功能可概述如下。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)能夠運(yùn)行的關(guān)鍵是必須首先了解轉(zhuǎn)子的位置，然后根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信息來(lái)決定驅(qū)動(dòng)器中的開(kāi)關(guān)切換并實(shí)現(xiàn)電樞繞組的換相。因此轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中不可缺少的組成部分。執(zhí)行這種功能的一般是利用光學(xué)或霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置的換向編碼器。目前在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最多的是霍爾傳感器。以三相電動(dòng)機(jī)為例，三個(gè)霍爾傳感器一般安裝在對(duì)應(yīng)定子磁極的中心位置，這三個(gè)傳感器在電動(dòng)機(jī)內(nèi)圓上的位置則有電氣相位差為60°、120°、240°和300°的4種慣例。芯片的三個(gè)傳感器輸入S

14、A，SB和Sc能直接與集電極開(kāi)路的霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)或光電耦合器接口，內(nèi)部的上拉電阻可減少外部元件數(shù)。4種慣例所產(chǎn)生的信號(hào)如圖11. 13所示，它們都是高低電平各占180度的TTL電平信號(hào)。對(duì)于6步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，電角度每變化60度就必須產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)的變動(dòng)，因此在一個(gè)周期內(nèi)，三個(gè)傳感器信號(hào)的電平組成6個(gè)有效的三位代碼（另有2個(gè)無(wú)效代碼一般不會(huì)出現(xiàn)）。MC33033有一個(gè)輸入引腳60°/120°用以選擇傳感器的相位差。另有一個(gè)FWR/REW(Forward/Reward)輸入信號(hào)選擇正反轉(zhuǎn)。在這5路信號(hào)的支持下，芯片內(nèi)的解碼器根據(jù)6個(gè)代碼就可以確定轉(zhuǎn)子的位置，并向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出正確的換相

15、信號(hào)。對(duì)于采用240°和300°慣例的電動(dòng)機(jī)，我們可以注意到它們的輸入代碼序列分別與120°和60°的序列相反，可以通過(guò)靈活地利用FWR/REW信號(hào)來(lái)解決正確的換相問(wèn)題。MC33033內(nèi)部有一個(gè)鋸齒波振蕩器，參見(jiàn)圖11.12，電容CT由內(nèi)部基準(zhǔn)電源通過(guò)電阻RT充電，充到一定電平時(shí)即通過(guò)一個(gè)內(nèi)部的晶體管放電，從而形成鋸齒波。鋸齒波的峰值和谷值分別約為4.1V和1.5V，而其頻率則是由CT和RT的值所確定的。鋸齒波一方面為PWM電路提供頻率基準(zhǔn)，另一方面通過(guò)與偏差放大器的輸出相比較而形成PWM信號(hào)。PWM是在供電直流電壓為恒定值的條件下，通過(guò)改變平均電壓調(diào)節(jié)

16、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的有效手段。MC33033中提供了一個(gè)其輸入輸出均可引出片外的完全補(bǔ)償?shù)钠罘糯笃鳎捎糜趯?shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，其直流電壓增益可達(dá)80dB，帶寬為0.6MHz，且可達(dá)到滿幅放大。在圖11.12中MC33033配置為一個(gè)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，該放大器作為調(diào)速電位器的跟隨器。而在閉環(huán)系統(tǒng)中，該運(yùn)算放大器則作為偏差放大器，對(duì)給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的誤差進(jìn)行放大，控制PWM波形的脈寬，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)調(diào)節(jié)。MC33033通過(guò)控制功率電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，上橋驅(qū)動(dòng)級(jí)是可吸收50mA電流，耐壓30V的3個(gè)集電極開(kāi)路晶體管，分別通過(guò)引腳AT、BT和CT輸出，很容易實(shí)現(xiàn)與高壓電源電路的接口。3個(gè)推挽式下橋驅(qū)動(dòng)輸出

17、的引腳是AB、BB和CB，特別適合于驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET或NPN型雙極晶體管，其輸出和吸收電流可達(dá)l00mA。上述6個(gè)引腳與表11.1相對(duì)應(yīng)的輸出波形如圖11.14所示，在圖的下方注明了當(dāng)時(shí)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管。圖中還可以看到PWM信號(hào)僅出現(xiàn)在下橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)中。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)傳感器技術(shù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由于其高效節(jié)能被日益廣泛地應(yīng)用，這種電動(dòng)機(jī)的一個(gè)特點(diǎn)則是其繞組的換相依賴(lài)于轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)。雖然轉(zhuǎn)子的位置可以由傳感器檢測(cè)，但是在電動(dòng)機(jī)中安裝傳感器并增加額外的引線在某些場(chǎng)合仍然使人感到不便。在前面已經(jīng)說(shuō)明三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中的任何時(shí)刻，三相繞組中總有一相繞組是不通電的，但是這相繞組仍然在切割轉(zhuǎn)子

18、的磁場(chǎng)并在繞組中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)?；谶@一事實(shí)人們發(fā)展了一種無(wú)傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)，這種技術(shù)的本質(zhì)是檢測(cè)三相繞組中不加電的那一相繞組中反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，從而得到轉(zhuǎn)子的位置信息。這種技術(shù)已日趨成熟，已經(jīng)出現(xiàn)了支持無(wú)傳感器技術(shù)的專(zhuān)用集成電路芯片（如Philips的TDA5145）。關(guān)于無(wú)傳感器技術(shù)，有興趣的讀者可參考有關(guān)的文獻(xiàn)。 直流無(wú)刷電機(jī)控制(2013-02-27 15:15:20)無(wú)刷電機(jī)較有刷電機(jī)相比較改變了換向的模式，采用電子換向取代了有刷的機(jī)械換向，降低了噪音，極大減少了摩擦損耗，只剩軸承上的摩擦，大大提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)消除了碳刷的電磁干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性。換向的時(shí)機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子的位

19、置而定，對(duì)其檢測(cè)的方法有有感的霍爾式、光電式及無(wú)感的反電動(dòng)勢(shì)法等。對(duì)于三相輸入的有感無(wú)刷電機(jī)其是根據(jù)霍爾傳感器采集到的位置信號(hào)，改變輸出的三組功率管的相序使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。位置傳感器的安裝位置不同，其輸出狀態(tài)也不同，有120°安裝和60°安裝。一般檢測(cè)位置的傳感器數(shù)目等于繞組的相數(shù)?？刂品绞接袃蓛蓪?dǎo)通和三三導(dǎo)通。兩兩導(dǎo)通即每一時(shí)刻始終只有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120°，有AB、AC、BC、BA、CA、CB六個(gè)狀態(tài)，根據(jù)位置信號(hào)切換相序。由原理可知，兩兩導(dǎo)通中不會(huì)有功率管上下直通的情況，因此在上下管切換的時(shí)候不用加死區(qū)。三三導(dǎo)通也即每一時(shí)刻始終有三個(gè)功率管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通

20、180°，有A-BC、AB-C、B-CA、BC-A、C-AB、CA-B六個(gè)狀態(tài)。三三導(dǎo)通中會(huì)有上下直通情況，因此切換時(shí)要加上死區(qū)。假設(shè)一個(gè)繞組產(chǎn)生的力矩為T(mén)x,那么在兩兩導(dǎo)通的方式中，輸出的力矩為3的開(kāi)方倍的Tx；而在三三導(dǎo)通中是3倍的Tx。為使輸出的轉(zhuǎn)矩最大，由繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)需垂直，實(shí)際控制中一般在60°到120°范圍內(nèi)。 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制銀河汽車(chē)網(wǎng)2006-12-22閱讀：612次一般三相無(wú)刷直流電機(jī)是在定子上安裝位置傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子所處的位置，并根據(jù)檢測(cè)到的位置信號(hào)來(lái)決定電機(jī)換相輸出。因此需要在電機(jī)上安裝三個(gè)霍

21、爾傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，不僅增加了電機(jī)工藝的復(fù)雜性，而且增加了電機(jī)成本和電機(jī)故障率，也增加了幾根位置傳感線到控制器上，給電動(dòng)機(jī)整機(jī)安裝帶來(lái)不便。三相無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)不需要在無(wú)刷直流電機(jī)上安裝位置傳感器，它檢測(cè)三相無(wú)刷電機(jī)的三相電機(jī)線上的反電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)此反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)來(lái)通過(guò)DSP計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子目前相對(duì)于定子的位置，進(jìn)而決定電機(jī)換相輸出，因此省去了一般無(wú)刷直流電機(jī)上的三個(gè)霍爾位置傳感器，從而減少了電機(jī)成本和故障率。 在本文介紹的控制系統(tǒng)中，采用TMS320LF2407A DSP芯片作為控制器。該芯片內(nèi)部集成了前端采樣A/D轉(zhuǎn)換器和后端PWM輸出硬件，將DSP的高運(yùn)算能力與面向電機(jī)的

22、高效控制能力集于一體，具有電機(jī)控制方面無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 一、系統(tǒng)的控制原理 1. 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中,任何時(shí)刻三相中只有兩相被激勵(lì)。例如：A相中電流在0°120°和180°300°期間流動(dòng)，而在120°180°和300°360°期間，A相不通電。每一相的反電動(dòng)勢(shì)是梯形的，有兩個(gè)穩(wěn)定電壓的120°區(qū)間，不通電相的反電動(dòng)勢(shì)可以被測(cè)出，間接得到轉(zhuǎn)子位置?；谵D(zhuǎn)子位置，建立三相逆變橋的功率器件的換向順序，功率器件被每60°有順序地?fù)Q向。 2. 反電動(dòng)勢(shì)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置

23、原理 三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，每相繞組都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)60°就需要換相一次，所以在此之前被截?cái)嚯娏鞯哪诚嗬@組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)要反相，從而通過(guò)零點(diǎn)。直流電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)需要換相6次，所以三相繞組每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)共有6個(gè)過(guò)零點(diǎn)，每相兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)。當(dāng)?shù)弥诚嗟倪^(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻后，將其延遲30°就可以得到所需要的換相信號(hào)。反電動(dòng)勢(shì)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置法是利用這一原理來(lái)實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)。 圖1 基于DSP的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)框圖用反電動(dòng)勢(shì)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的關(guān)鍵是找出過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻。在圖1中，依據(jù)基爾霍夫的回路電壓定律可以得到以下結(jié)果： 任何時(shí)刻電動(dòng)機(jī)三相繞組之間電壓矢量和為0，

24、即 VAB+VCA+VBC=0。 即 (VANVNB)(VCNVNA)(VBNVNC)=0 即 (VA-VN)(VNVB)(VCVN)(VNVA)(VBVN)(VNVC)=0 即VAVBVC=3VN (1) 即任何時(shí)刻電動(dòng)機(jī)三相繞組的端點(diǎn)電位之和等于3倍中性點(diǎn)的電位。對(duì)于截?cái)嚯娏鞯哪骋幌郮，電流為0，截?cái)嚯娏髑暗亩它c(diǎn)電位為VX，根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)的定義，該相的反電動(dòng)勢(shì)EX： EX=K(VXVN)(2) K為常數(shù)，其大小取決于電動(dòng)機(jī)的電感量和電流的變化率。所以，可以根據(jù)(VXVN)得到反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，然后用軟件移相得到換相時(shí)刻并使逆變橋以合適的時(shí)序工作，從而保證電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。 二、系統(tǒng)的硬件組成

25、 在圖1所示的基于TMS320LF2407A的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，采用TMS320LF2407A作為控制器，處理采集到的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令，檢測(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)出相應(yīng)的控制字來(lái)改變PWM信號(hào)的當(dāng)前值，從而改變直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中功率管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制。其端口IOPC口用于按鍵命令， IOPE口用于點(diǎn)亮相關(guān)的信號(hào)指示燈。PWM信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)放大后，加在開(kāi)關(guān)陣列。在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路會(huì)檢測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)過(guò)流或欠壓情況，會(huì)啟動(dòng)DSP控制器的電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的DSP芯片和驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)。 功率驅(qū)動(dòng)電路 采用三相全

26、控橋式的控制方式。功率MOSFET管采用IRFP054N，并采用IR2130作為全控橋的驅(qū)動(dòng)電路。 IR2130芯片可同時(shí)控制六個(gè)大功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷順序，通過(guò)輸出HO1，2，3分別控制三相全橋驅(qū)動(dòng)電路的上半橋V1、V3、V5的導(dǎo)通關(guān)斷，而IR2130的輸出LO1，2，3分別控制三相全橋驅(qū)動(dòng)電路的下半橋V2、V4、V6的導(dǎo)通關(guān)斷，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的目的。IR2130芯片內(nèi)部有電流比較電路，可以進(jìn)行電機(jī)比較電流的設(shè)定。設(shè)定值可以作為軟件保護(hù)電路的參考值，這樣可以使電路能夠適用于對(duì)不同功率的電機(jī)的控制。 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和電流檢測(cè)電路 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)采用反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)的無(wú)傳感器控制，為了計(jì)算中性點(diǎn)電壓VN，必須知道三個(gè)繞組端對(duì)地電壓(電位)，這可由TMS320LF2407內(nèi)的ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)，電流檢測(cè)采用分流電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。分流電阻安裝在功率驅(qū)動(dòng)橋的下端與功放板地線之間，選定的阻值具有功放板達(dá)到允許的最大電流時(shí)，激活過(guò)流保護(hù)功能，這些信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前都要通過(guò)放大電路放大一定的倍數(shù)，以覆蓋整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍。 三、程序框圖 現(xiàn)給出ADC中斷子程序框圖(如圖2所示)和更新比較值或換相子程序框圖(如圖3所示)。圖2 ADC中斷子程序框圖圖3 更新比較值或換相子程