電機(jī)控制器基礎(chǔ)知識(shí)

1、部 門：杭州綠天新能源科技講 師：李 淑 亞日 期：2015.09.09Q Q: 645529932電 話：152 6817 3890E-mail: E-mail: techgreensky-techgreensky-電機(jī)控制器基礎(chǔ)電機(jī)控制器基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)知識(shí)培訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)交流 知識(shí)共享互相學(xué)習(xí) 攜手共進(jìn)目目 錄錄 1 1. .電機(jī)控制器定義電機(jī)控制器定義 2 2. .無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展概況無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展概況 3. 3.無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)區(qū)別無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)區(qū)別 4. 4.無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu) 5.5.無(wú)刷直流電機(jī)基本原理分析無(wú)刷直流電機(jī)基本原理分析 6.6.無(wú)刷直流電機(jī)

2、運(yùn)行特性無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行特性 7 7. .無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng) 8 8. .變頻器與電機(jī)控制器區(qū)別變頻器與電機(jī)控制器區(qū)別 9 9. .驅(qū)動(dòng)器、控制器、編碼器之間關(guān)系驅(qū)動(dòng)器、控制器、編碼器之間關(guān)系1010. .無(wú)刷電機(jī)控制器舉例無(wú)刷電機(jī)控制器舉例1111. .調(diào)速電機(jī)控制器舉例調(diào)速電機(jī)控制器舉例1212. .電動(dòng)三輪車控制器舉例電動(dòng)三輪車控制器舉例13.13.空心杯電機(jī)控制器舉例空心杯電機(jī)控制器舉例 電機(jī)控制器是通過(guò)集成電路的主動(dòng)工作來(lái)控制電機(jī)按照設(shè)定的方向，速度，角度，響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行工作。使得電機(jī)應(yīng)用范圍更為廣泛，輸出效率更高，噪音更小等優(yōu)點(diǎn)。1-1 1-1 電機(jī)控制器定義電

3、機(jī)控制器定義 電機(jī)控制器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能:對(duì)各種輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各種控制信號(hào);產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速;實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、欠壓等故障保護(hù)功能。 無(wú)刷電機(jī)控制器的原理無(wú)刷電機(jī)控制器的基本維修無(wú)刷電機(jī)控制器無(wú)刷電機(jī)控制器是可用于為三相無(wú)刷電機(jī)提供封閉回路的換向控制信號(hào)的控制裝置，同時(shí)利用模式還可對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制并對(duì)電機(jī)進(jìn)行必要的保護(hù)，無(wú)刷電機(jī)的控制器要比有刷電機(jī)控制器復(fù)雜得多。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，這一淵源關(guān)系從其名稱中就可以

4、看出來(lái)。有刷直流電動(dòng)機(jī)從19世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來(lái)，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)一直在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，有機(jī)械接觸電刷-換向器一直是電流電機(jī)的一個(gè)致命弱點(diǎn)，它降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場(chǎng)合中的使用。為了取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置，人們進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無(wú)刷直流電機(jī)的基本思想。 所謂無(wú)刷，就是利用電子器件和傳感裝置代替直流電動(dòng)機(jī)的換向器。這使電動(dòng)機(jī)減少了滑動(dòng)接觸，消除了換向火花，減少了對(duì)無(wú)線電的干擾。具有以下優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速范圍廣、調(diào)速性能平滑、啟動(dòng)迅速、噪音低。 無(wú)刷直流電

5、動(dòng)機(jī)系統(tǒng)因而得到了迅速的發(fā)展。在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會(huì)上，前聯(lián)邦德國(guó)的MANNESMANN公司正式推出了 MAC無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，引起了世界各國(guó)的關(guān)注，隨即在國(guó)際上掀起了研制和生產(chǎn)無(wú)刷直流系統(tǒng)的熱潮，這業(yè)標(biāo)志著無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)走向?qū)嵱秒A段。 我國(guó)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究起步較晚。1987年，在北京舉辦的聯(lián)邦德國(guó)金屬加工設(shè)備展覽會(huì)上，SIEMENS和BOSCH兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器，引起了國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者的廣泛注意，自此國(guó)內(nèi)掀起了研制開(kāi)發(fā)和技術(shù)引進(jìn)的熱潮。經(jīng)過(guò)多年的努力，目前，國(guó)內(nèi)已有無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的系列 產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。 1-2 1-2 無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展概況無(wú)刷

6、直流電機(jī)發(fā)展概況項(xiàng)目無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有刷直流電動(dòng)機(jī)換向借助轉(zhuǎn)自子位置傳感器實(shí)現(xiàn)電子換向由電刷和換向器進(jìn)行機(jī)械換向維護(hù)由于沒(méi)有電刷和換向器，很少需要維護(hù)需要周期性維護(hù)壽命比較長(zhǎng)比較短機(jī)械（速度/力矩）特性平（硬）在負(fù)載條件下能在所有速度上運(yùn)行中等平（中等硬）。在較高速度上運(yùn)行時(shí)，電刷摩擦增加，有用力矩減小效率由于沒(méi)有電刷壓降，所以效率高中等輸出功率/外形尺寸之比高由于電樞繞組設(shè)置在與機(jī)殼相連的定子上，容易散熱。這種優(yōu)異的熱傳導(dǎo)特性允許減小電動(dòng)機(jī)的尺寸，所以輸出功率/外形尺寸之比高中等/低。電樞產(chǎn)生的熱量消散在氣隙內(nèi)，這樣增加了氣隙溫度，從而限制了輸出功率/外形尺寸之比轉(zhuǎn)自慣量低。因?yàn)橛来朋w設(shè)置在轉(zhuǎn)

7、子上，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)轉(zhuǎn)自慣量高，限制了動(dòng)態(tài)特性速度范圍比較高。沒(méi)有電刷/換向器給予的機(jī)械限制比較低，存在電刷給予的機(jī)械限制電氣噪聲低電刷的電弧將對(duì)附近的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾制造價(jià)格比較高低控制復(fù)雜和價(jià)格貴簡(jiǎn)單和價(jià)格不貴控制要求為了使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必須要有控制器，但同樣的控制器可用于變速控制對(duì)于一個(gè)固定的速度而言，不需要控制器；有變速要求的時(shí)候才需要控制器無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較1-3 1-3 無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)區(qū)別無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)區(qū)別下面以干手器電機(jī)為例，從幾個(gè)方面來(lái)談?wù)動(dòng)兴㈦姍C(jī)和無(wú)刷電機(jī)的區(qū)別： 1、適用范圍：無(wú)刷電機(jī)的設(shè)備可以運(yùn)用于：乳制品行業(yè)、釀造行業(yè)、肉制

8、品加工行業(yè)、豆制品加工行業(yè)、飲料加工行業(yè)、糕點(diǎn)加工業(yè)、藥品業(yè)、電子精密廠、等一些更高要求的無(wú)塵車間等，像迪奧電器產(chǎn)的無(wú)刷電機(jī)（DIHOUR）干手器，運(yùn)用到工廠里比較多。 碳刷電機(jī)：只能適用于各式洗手間等對(duì)要求不是太高的區(qū)域，而像無(wú)塵車間和防爆車間就無(wú)法使用了！ 2、使用壽命：無(wú)刷電機(jī)：可連續(xù)工作20000小時(shí)左右，常規(guī)的使用壽命7-10年。 碳刷電機(jī)：可連續(xù)工作5000小時(shí)左右，常規(guī)的使用壽命2-3年。 3、使用效果：無(wú)刷電機(jī)：以90-95m/s高速運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)際效果可達(dá)到5-7s的干手時(shí)間。 碳刷電機(jī)：運(yùn)轉(zhuǎn)速度及干手時(shí)間要遠(yuǎn)低于無(wú)刷電機(jī)。 4、節(jié)能方面：相對(duì)而言，無(wú)刷電機(jī)的耗電量只是碳刷的1/3

9、。 5、日后維修方面碳刷電機(jī)磨損后，不僅更換碳刷，還更換轉(zhuǎn)齒等電機(jī)周邊的附件，成本要高出很多。最主要的是，整體的功能將會(huì)受到影響。 6、噪音及使用壽命碳刷電機(jī)所發(fā)出的噪音要比無(wú)刷電機(jī)的高的多，而且隨著日后的碳刷磨損，有刷電機(jī)噪音會(huì)越來(lái)越大，而無(wú)刷電機(jī)就不會(huì)受影響。 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器及電子換向開(kāi)關(guān)電路三個(gè)基本部分組成。其中位置傳感器相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的電刷，電子換向開(kāi)關(guān)就是一個(gè)靜止的換向器。1、電動(dòng)機(jī)本體 由一定極對(duì)數(shù)的永磁鋼轉(zhuǎn)子（亦稱主轉(zhuǎn)子）和一個(gè)多相的電樞繞組（亦稱主定子）組成。 電樞繞組分開(kāi)啟式和閉合式兩種，固定在定子鐵心槽內(nèi)。電樞繞組有三相星形接法、

10、四星星形接法、三相角形接法、四相閉合式接法、二相正交式接法。其繞組的端頭和相應(yīng)的電子開(kāi)關(guān)電路連接。為了改善齒諧及減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，電樞繞組可采用分?jǐn)?shù)槽繞組。電樞鐵心由硅鋼片疊壓而成。1-4 1-4 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)2、位置傳感器 其作用主要是檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，隨轉(zhuǎn)子位置變化依次通電。 傳感器轉(zhuǎn)子和傳感器定子組成，前者與主轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)，后者安裝在定子機(jī)殼內(nèi)。它能夠提供信號(hào)，并按照一定的邏輯關(guān)系去觸發(fā)電子換向開(kāi)關(guān)電路。 位置傳感器的構(gòu)成及主要特點(diǎn)： 磁敏轉(zhuǎn)換式：1）構(gòu)成：傳感器定子（按照一定次序配置的磁敏元件霍爾元件、磁敏二極管或三極管） 2）特點(diǎn)：霍爾元件體積小，正反轉(zhuǎn)控制方便，并能提

11、供隨轉(zhuǎn)子位置做正炫變化的信號(hào)，對(duì)溫度敏感。 電磁轉(zhuǎn)換式：1）：構(gòu)成：傳感器定子按一定次序配置的電磁元件開(kāi)口變壓器（電感器）；傳感器轉(zhuǎn)子（導(dǎo)磁片） 2）特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)可靠，輸出信號(hào)大而穩(wěn)定，抗震，對(duì)環(huán)境要求不高，體積較大。 光電轉(zhuǎn)換式：1）構(gòu)成：傳感器定子（按照一定次序配置的光電元件光敏二極管、三極管、發(fā)光二極管或固態(tài)光源）傳感器轉(zhuǎn)子（有光柵形成的旋轉(zhuǎn)光束）四狀態(tài)。3、電子換向開(kāi)關(guān)電路 由適當(dāng)數(shù)量的三極管等組成，它與相應(yīng)的電刷繞組相連接，各功率元件的導(dǎo)通與截止，取決于位置傳感器的信號(hào)。繞組型式忽然電子開(kāi)關(guān)電路的配合方式：三相星形（開(kāi)啟式）繞組，一相導(dǎo)通，三相三狀態(tài)；四星星形（開(kāi)啟式）繞組，一相導(dǎo)通，

12、四相四狀態(tài)；三相星形（開(kāi)啟式）繞組，二相導(dǎo)通，三相六狀態(tài)三相閉合式繞組，三相導(dǎo)通，三相六狀態(tài)；四相閉合式繞組，一相導(dǎo)通，四相四狀態(tài)；二相正交式（開(kāi)啟式）繞組，一相導(dǎo)通，二相四狀態(tài)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理 1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分析 電機(jī)本體的電樞繞組為三相星型連接，位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生控制信號(hào)，控制動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后控制逆變器的功率開(kāi)關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。 1-5 1-5 無(wú)刷直流電機(jī)基本原理分析無(wú)刷直流電機(jī)基本原理分析 如圖1-1所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針）到圖a所示的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)

13、動(dòng)逆變器，使T1、T6 導(dǎo)通，即A、B兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再?gòu)腂相繞組流出，經(jīng)T6回到電源的負(fù)極，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，到達(dá)圖b所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使T1、T2導(dǎo)通，A、C兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再?gòu)腃相繞組流出，經(jīng)T2回到電源負(fù)極。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，逆變器開(kāi)關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為T1、T6T1、T2T3、T2T3、T4T5、T4T5、T6T1

14、、T6。 在次期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩作用，沿順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場(chǎng)的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變?？梢?jiàn)，電機(jī)有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120電角度。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式叫兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)，這是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最常用的一種工作方式。2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與輸出開(kāi)關(guān)管換流信號(hào) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的位置一般采用三個(gè)在空間上相隔120電角度的霍爾位置傳感器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)位于霍爾傳感器位置處的磁場(chǎng)極性發(fā)生變化時(shí)，傳感器的輸出電平將發(fā)生改變，由于三個(gè)霍爾傳感器位檢測(cè)元件的位置在空間上各差120電

15、角度，因此從這三個(gè)檢測(cè)元件輸出端可以獲得三個(gè)在時(shí)間上互差120度、寬度為180度的電平信號(hào)，分別用A、B、C來(lái)表示，如圖1-2所示，以信號(hào)A為例，A相位置寬度為180電導(dǎo)角：在0-60度，T1必須導(dǎo)通，故T1狀態(tài)為1，而C相還剩下60度通電寬度，所以此段時(shí)間為T1和T6等于1，（此時(shí)下部可供導(dǎo)通的管子為T4、 T6和T2，而為避免橋臂直通，T4不能導(dǎo)通；T2的導(dǎo)通時(shí)間未到，故只能是T6導(dǎo)通）；而在60度120度，此時(shí)只有A相通電，B和C相處于非導(dǎo)電期，故導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管為T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是為B相導(dǎo)電作準(zhǔn)備；而在120度180度時(shí)，由于 每一相只有120電導(dǎo)角導(dǎo)電時(shí)間，故此時(shí)

16、T1關(guān)斷（T1=0），T2仍然導(dǎo)通（B相開(kāi)始進(jìn)入導(dǎo)電期），此時(shí)可知，T1關(guān)斷，T5不能開(kāi)通（防止橋臂直通），則此時(shí)只能開(kāi)通T3，所以T3信號(hào)此時(shí)間段為1。其他時(shí)間段的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通情況與此類似。 理論上，只要保證三個(gè)位置傳感器在空間上互差120度，開(kāi)關(guān)管的換流時(shí)刻總是可以推算出來(lái)的。然而，為了簡(jiǎn)化控制電路，每個(gè)霍爾傳感器的起始安裝位置在各自相繞組的基準(zhǔn)點(diǎn)（r0=00）上.那么在r0=00的控制條件下，A相繞組開(kāi)始通電的時(shí)刻（即該相反電勢(shì)相位30度位置）恰好與A相位置傳感器輸出信號(hào)A的電平跳變時(shí)刻重合，此時(shí)應(yīng)將T1開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。同理，其他開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)刻也可以按同樣方法確定。 本設(shè)計(jì)選用的是三相無(wú)

17、刷永磁直流電動(dòng)機(jī)，其額定電壓UH=36V,電樞額定電流IaH=8.5A,電樞峰值電流IaP 15A,額定轉(zhuǎn)速nH=350r/min,額定功率PH=250W。圖1-2 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)及開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)表1-2 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)直流通電控制方式開(kāi)關(guān)切換表旋轉(zhuǎn)方向位置傳感器逆變橋開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)ABCT1T2T3T4T5T6正轉(zhuǎn)001000011010001100011000110100110000101100001110011000反轉(zhuǎn)001011000010100001011110000100000110101001100110000011無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性1-6 1-6

18、 無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行特性無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行特性1)、機(jī)械特性無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為： 22222STasTeeeetUUrIUUrnTCCC C（1-1） UT-開(kāi)關(guān)器件的管壓降 Ia-電樞電流 Ce-電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù) -每級(jí)磁通量 可見(jiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與一般直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。在不同的供電電壓驅(qū)動(dòng)下，可以得到如1-3圖所示機(jī)械特性曲線簇。 當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)管和電樞繞組的電流很大，這時(shí)，管壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示的機(jī)械特性曲線會(huì)偏離直線，向下彎曲。圖1-3 機(jī)械特性曲線簇2）、調(diào)節(jié)特性無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的

19、調(diào)節(jié)特性如圖1-4所示。圖1-4 調(diào)節(jié)特性022eTTrTUUC1eKC（1-2）（1-3）調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為： 從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。但不能通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)速，因?yàn)橛来朋w的勵(lì)磁磁場(chǎng)不可調(diào)。3）、工作特性 電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、效率輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖1-5所示。 圖1-5 工作特性在輸出額定轉(zhuǎn)矩時(shí),電機(jī)效率高、損耗低是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要特點(diǎn)之一。1 1）、）、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(Brushless DC Motor,簡(jiǎn)稱BLDCM)

20、是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,它是由電動(dòng)機(jī)本體、位置檢測(cè)器、逆變器和控制器組成的自同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)或自控式變頻同步電動(dòng)機(jī)。 位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào),控制器對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào),開(kāi)關(guān)信號(hào)以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開(kāi)關(guān)器件,將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動(dòng)機(jī)定子各相繞組,使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。 現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)各部分的基本結(jié)構(gòu)說(shuō)明如下。1-7 1-7 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)1電機(jī)本體 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最初的設(shè)計(jì)思想來(lái)自普通的有刷直流電動(dòng)機(jī)，不同的是將直流電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，有多

21、相對(duì)稱繞組。原直流電動(dòng)機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器所代替。所以無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體實(shí)際上是一種永磁同步電機(jī)。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體為永磁電機(jī)，所以無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也稱為永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。 定子的結(jié)構(gòu)與普通同步電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，鐵心中嵌有多相對(duì)稱繞組。繞組可以接成星形或三角形，并分別與逆變器中的各開(kāi)關(guān)管相連，三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最為常見(jiàn)。2逆變器 目前，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的逆變器主開(kāi)關(guān)一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主電路已有集成的功率模塊（PIC）和智能功率模塊（IPM），選用這些模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組的相數(shù)可以有不同的選

22、擇，繞組的連接方式也有星形和角型之分，而逆變器又有半橋型和全橋型兩種。不同的組合使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不同的性能和成本。綜合以下三個(gè)指標(biāo)有助于我們做出正確的選擇：（1）繞組利用率。與普通直流電動(dòng)機(jī)不同，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組是斷續(xù)通電的。適當(dāng)?shù)靥岣呃@組利用率將可以使同時(shí)通電的導(dǎo)體數(shù)增加，使電阻下降，效率提高。從這個(gè)角度來(lái)看，三相繞組優(yōu)于四相和五相繞組。（2）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比普通直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)越??；采用橋式主電路比采用非橋式主電路的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。（3）電路成本。相數(shù)越多，逆變器電路使用的開(kāi)關(guān)管越多，成本越高。橋式主電路所用的開(kāi)關(guān)管比半橋式多一倍，成本要

23、高；多相電動(dòng)機(jī)的逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。因此，目前以星形連接三相橋式主電路應(yīng)用最多。3位置檢測(cè)器 位置檢測(cè)器的作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)與定子繞組的位置信號(hào)，為逆變器提供正確的換相信息。位置檢測(cè)包括有位置傳感器和無(wú)位置傳感器檢測(cè)兩種方式。 轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子磁極的位置；其定子固定在電機(jī)本體定子或端蓋上，以檢測(cè)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置傳感器的種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開(kāi)關(guān)式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。 在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中安裝機(jī)械式位置傳感器解決了電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)問(wèn)題。但是位置傳感器的存在增加了系統(tǒng)的成本和體積，

24、降低了系統(tǒng)可靠性，限制了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍，對(duì)電機(jī)的制造工藝也帶來(lái)了不利的影響。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置運(yùn)行方式給予高度重視。 無(wú)機(jī)械式位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)和計(jì)算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的物理量間接地獲得轉(zhuǎn)子位置信息，主要有反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)法、定子三次諧波檢測(cè)法和瞬時(shí)電壓方程法等。4控制器控制器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能： （1）對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器輸出的信號(hào)、PWM調(diào)制信號(hào)、正反轉(zhuǎn)和停車信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各開(kāi)關(guān)管的斬波信號(hào)和選通信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。 （2）產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，使

25、電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào)而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速。 （3）對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。 （4）實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、過(guò)電壓和欠電壓等故障保護(hù)電路。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)兼有直流電動(dòng)機(jī)調(diào)整和起動(dòng)性能好以及異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無(wú)需維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因而在高可靠性的電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場(chǎng)合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。目前，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)主要采用兩種控制方案:一種采用專用集成電路。這種方案可以降低設(shè)備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。另一種是以微處理器為控制核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)。這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈活方便。 電機(jī)控制器

26、是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能:對(duì)各種輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各種控制信號(hào);產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速;實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、欠壓等故障保護(hù)功能。 近幾年，國(guó)外一些大公司紛紛推出較MCU性能更加優(yōu)越的DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)芯片電機(jī)控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一個(gè)以DSP為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。但是這些專用芯片價(jià)格昂貴，外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，在廣大的民用

27、市場(chǎng)無(wú)法大規(guī)模推廣應(yīng)用。無(wú)刷電機(jī)控制方法主要分為有位置傳感器控制和無(wú)位置傳感器控制兩種。在有位置傳感器的控制方法中，現(xiàn)今，由于霍爾傳感器性價(jià)比高，安裝方便，被廣泛應(yīng)用作為無(wú)刷直流電機(jī)的位置傳感器。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器的控制方法主要有反電勢(shì)法、定子三次諧波法、續(xù)流二極管檢測(cè)法、脈沖檢測(cè)法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。有霍爾控制器與無(wú)霍爾控制器區(qū)別： 1）、有霍爾型是通過(guò)電機(jī)的的霍爾型號(hào)來(lái)判斷當(dāng)前電機(jī)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，然后控制器根據(jù)霍爾所采集的信號(hào)再控制控制器的三相輸出來(lái)給電機(jī)供電，讓電機(jī)持續(xù)正常的工作。 無(wú)霍爾無(wú)刷控制器的是電機(jī)無(wú)霍爾傳感器，控制器通過(guò)電流采集來(lái)判斷電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后控制控

28、制器輸出來(lái)給電機(jī)供電，讓電機(jī)正常工作。 2）、有霍爾型電機(jī)和控制器在使用時(shí)穩(wěn)定，啟動(dòng)時(shí)扭矩大，無(wú)異響。 無(wú)霍爾型電機(jī)和控制器在使用時(shí)因技術(shù)問(wèn)題，目前還不是很穩(wěn)定，特別是在起步階段，穩(wěn)定性差，動(dòng)力不夠。無(wú)霍爾的電機(jī)在起步加速時(shí)候工作頻繁，因?yàn)闆](méi)有傳感器，無(wú)法對(duì)轉(zhuǎn)子測(cè)速，所以起步加速控制效果不如有霍爾的。 3）、有霍爾的控制器電機(jī)線輸出有八根，三根相線，五根霍爾線， 無(wú)霍爾的控制器輸出的電機(jī)線只有三根相線，沒(méi)有霍爾線。 4）、對(duì)于以維修為主的人員來(lái)說(shuō) 無(wú)霍爾方便快捷。對(duì)于顧客來(lái)說(shuō)還是普通無(wú)刷控制器，使用效果好。 電機(jī)壞掉的情況下，如果急用，或者維修難度高，顧客同意，才可以使用無(wú)霍爾控制器的，一般情

29、況下 ，都是使用無(wú)刷控制的。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖,如圖2-1所示:圖2-1 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制框圖2 2）、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成）、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成（1）微控制器主要功能是根據(jù)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的要求和來(lái)自霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個(gè)輸出信號(hào)，將它們處理成功率驅(qū)動(dòng)單元的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件所要求的驅(qū)動(dòng)順序。微控制器的另一個(gè)重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號(hào)，以及隨機(jī)發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)AD變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號(hào)。（2）功率驅(qū)動(dòng)單元主要包括功率開(kāi)關(guān)器件組成的三相全橋逆變電路和自舉電路。自舉電路由分立器件構(gòu)成的，也可以采用專門

30、的集成模塊等高性能驅(qū)動(dòng)集成電路。（3）位置傳感器位置傳感器在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息。（4）周邊輔助、保護(hù)電路主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過(guò)電流保護(hù)電路、調(diào)速信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)等輸入電路。3 3）、控制方法）、控制方法： 1、正反轉(zhuǎn) 其不能采用改變電源極性的方法來(lái)改變轉(zhuǎn)向，只能用改變定子繞組磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相對(duì)關(guān)系來(lái)改變旋轉(zhuǎn)方向。 控制方法是用在相位上有互差180度的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，去控制相應(yīng)的繞組導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。這兩個(gè)信號(hào)可以通過(guò)兩套在空間錯(cuò)開(kāi)180電角度的位置傳感器定子獲得。也可用電子線路進(jìn)行一定的邏輯處理，得一個(gè)正轉(zhuǎn)信號(hào)和一個(gè)反轉(zhuǎn)信號(hào)

31、，從而控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 2、調(diào)速 可通過(guò)改變電壓的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，常用的方法有： PAM:每相導(dǎo)通時(shí)間不變，改變每相導(dǎo)通時(shí)加在線圈上的電壓幅度的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 PWM:電壓大小幅度不變，改變每相導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。直流電機(jī)調(diào)速一般采用脈沖寬度調(diào)制。 即供電電壓是寬度可調(diào)的脈沖電壓。當(dāng)脈沖最寬時(shí)，相當(dāng)于直流電，功率最大，轉(zhuǎn)速最高。脈沖寬度減小時(shí)，相當(dāng)于直流電電壓降低，功率及轉(zhuǎn)速降低。 無(wú)刷電機(jī)沒(méi)有電刷磨損，維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，較有刷可靠，但需加裝驅(qū)動(dòng)（換向）電路，一次性投資較大。 脈寬調(diào)制（PWM）是調(diào)整脈沖的寬度而不是頻率。“脈沖寬了”指的是高電平時(shí)間長(zhǎng)了，低電平時(shí)間短了，脈沖頻率并沒(méi)有變。

32、脈寬調(diào)制并不是直接調(diào)整電機(jī)的速度，而是改變電機(jī)的功率或扭矩。扭矩大了，換向加快，轉(zhuǎn)速就提高了。無(wú)刷電機(jī)pwm調(diào)速頻率是多少?頻率一般在500-1000以內(nèi)都是正常的，圖像為正弦函數(shù)圖像： 脈寬調(diào)制原理如下圖所示：PWM調(diào)速適用于所有類型的電機(jī)嗎？PWM調(diào)速對(duì)步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)，普通電機(jī)都適用？ 步進(jìn)電機(jī)是伺服電機(jī)的一種，除非你特指交流伺服電機(jī)。 PWM不適合步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)樗怯霉?jié)拍控制的 PWM可以用于控制直流電機(jī)，直流無(wú)刷電機(jī)，異步電機(jī)，以及各類同步電機(jī)普通電機(jī)是什么意思？ 是指異步電機(jī)或鼠籠電機(jī)嗎，如果是的話，pwm是可以用的。但是不建議用! 異步電機(jī)也有伺服電機(jī)。只不過(guò)普通的異步電機(jī)在設(shè)

33、計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮變頻，所以轉(zhuǎn)速改變時(shí)鐵損會(huì)比較大，發(fā)熱嚴(yán)重一些，不過(guò)只要不長(zhǎng)期低速運(yùn)行，也可以用一下。變頻（調(diào)速）器和電機(jī)控制器的區(qū)別： 1）、控制電機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行、停止、調(diào)速、變速等控制設(shè)備都可以叫做電機(jī)控制器，變頻器只是電機(jī)控制器其中的一種。 2）、伺服電機(jī)是由電壓控制轉(zhuǎn)速,控制器控制的是電壓;交流馬達(dá)是由頻率控制轉(zhuǎn)速,變頻器控制的是頻率。 3）、變頻器主要用于交流電機(jī)調(diào)速，電機(jī)控制器主要用于電機(jī)控制，及特種電機(jī)的控制和調(diào)速。交流變直流的電路簡(jiǎn)單，但機(jī)械特性差別較大，結(jié)構(gòu)差別也較大。1-8 1-8 變頻器與電機(jī)控制器區(qū)別變頻器與電機(jī)控制器區(qū)別交流電機(jī)調(diào)速方式： 額定轉(zhuǎn)速n=60f/p（1-s)=

34、同步轉(zhuǎn)速N1(1-S） f電源頻率 p電機(jī)極對(duì)數(shù) s轉(zhuǎn)差率 1.利用變頻器改變電源頻率調(diào)速，調(diào)速范圍大，穩(wěn)定性平滑性較好，機(jī)械特性較硬。就是加上額定負(fù)載轉(zhuǎn)速下降得少。屬于無(wú)級(jí)調(diào)速。適用于大部分三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)。 2.改變磁極對(duì)數(shù)調(diào)速，屬于有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑度差，一般用于金屬切削機(jī)床。（需電機(jī)本身具備條件，例：雙極雙速電機(jī)）。 3.改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。 （1）轉(zhuǎn)子回路串電阻：用于交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)。調(diào)速范圍小，電阻要消耗功率，電機(jī)效率低。一般用于起重機(jī)。 （2）改變電源電壓調(diào)速，調(diào)速范圍小，轉(zhuǎn)矩隨電壓降大幅度下降，三相電機(jī)一般不用。用于單相電機(jī)調(diào)速，如風(fēng)扇。 （3）串級(jí)調(diào)速，實(shí)質(zhì)就是就是轉(zhuǎn)子引入

35、附加電動(dòng)勢(shì)，改變它大小來(lái)調(diào)速。也只用于繞線電動(dòng)機(jī)，但效率得到提高。 （4）電磁調(diào)速。只用于滑差電機(jī)。通過(guò)改變勵(lì)磁線圈的電流無(wú)極平滑調(diào)速，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，但控制功率較小。不宜長(zhǎng)期低速運(yùn)行 。 4.滑差調(diào)速器。這種方式其實(shí)不是改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。而是改變和是電機(jī)軸相連的滑差離合器的離合度，改變離合器輸出軸的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)速的。為什么無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速都用電壓調(diào)速，而不能用調(diào)頻調(diào)速呢？ 所謂變頻，顧名思義，就是改變頻率的意思。 交流電是指大小和方向都作周期性變化的電壓或電流。周期的倒數(shù)就是頻率。 直流電沒(méi)有頻率的概念，若要算直流電的頻率，按照交流電頻率的定義，可以將直流電的頻率理解為無(wú)窮小或0Hz。頻率只對(duì)交流電有意義

36、，變頻當(dāng)然也就只能針對(duì)交流電了。 直流電機(jī)只能采用直流電供電，不能使用交流電供電，更談不上變頻。 無(wú)刷直流電機(jī)依然是三相繞組，只是直流電通過(guò)逆變電路變成三相交流電供給電機(jī)本體，所以為什么不能調(diào)頻呢？ 你所說(shuō)逆變器是外部驅(qū)動(dòng)器，不屬于電機(jī)的一部分，這樣的電機(jī)就不是直流電機(jī)，而是交流電機(jī)。交流電機(jī)可以采用變頻調(diào)速，改變逆變器輸出交流電頻率即可調(diào)速，改變電壓是不能調(diào)速的。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器，編碼器之間的關(guān)系; 1、普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要是控制轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)控制速度、方向、角度或者移動(dòng)距離等等。 2、驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)接受脈沖個(gè)數(shù)和旋轉(zhuǎn)方向驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作的功率放大系統(tǒng)。 3、控制器接受編碼指令，人機(jī)對(duì)話，和把指令變化成具體脈沖個(gè)數(shù)傳輸給驅(qū)動(dòng)器的中