三相無刷直流電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1、三相無刷直流電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理2.1電機(jī)的分類電機(jī)按工作電源種類可分為：1.直流電機(jī)：(1)有刷直流電機(jī)： 永磁直流電機(jī)：·稀土永磁直流電動機(jī)； ·鐵氧體永磁直流電動機(jī)； ·鋁鎳鈷永磁直流電動機(jī)； 電磁直流電機(jī)： ·串勵直流電動機(jī)； ·并勵直流電動機(jī)； ·他勵直流電動機(jī)； ·復(fù)勵直流電動機(jī)；(2)無刷直流電機(jī)：稀土永磁無刷直流電機(jī)；2.交流電機(jī)：(1)單相電動機(jī)；(2)三相電動機(jī)。2.2 無刷直流電機(jī)特點·電壓種類多:直流供電交流高低電壓均不受限制。·容量范圍大:標(biāo)準(zhǔn)品可達(dá)400Kw更大容量可以訂制。

2、·低頻轉(zhuǎn)矩大:低速可以達(dá)到理論轉(zhuǎn)矩輸出啟動轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到兩倍或更高。·高精度運轉(zhuǎn):不超過1 rpm.(不受電壓變動或負(fù)載變動影響)。·高效率:所有調(diào)速裝置中效率最高比傳統(tǒng)直流電機(jī)高出530%。·調(diào)速范圍:簡易型/通用型(1:10)高精度型(1:100)伺服型。·過載容量高:負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動在200%以內(nèi)輸出轉(zhuǎn)速不變。·體積彈性大:實際比異步電機(jī)尺寸小可以做成各種形狀。·可設(shè)計成外轉(zhuǎn)子電機(jī)(定子旋轉(zhuǎn))。·轉(zhuǎn)速彈性大:可以幾十轉(zhuǎn)到十萬轉(zhuǎn)。 ·制動特性良好可以選用四象限運轉(zhuǎn)。·可設(shè)計成全密閉型IP

3、-54IP-65防爆型等均可。·允許高頻度快速啟動電機(jī)不發(fā)燙。·通用型產(chǎn)品安裝尺寸與一般異步電機(jī)相同易于技術(shù)改造。2.3 無刷直流電機(jī)的組成直流無刷電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。它主要由電動機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。電動機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動機(jī)相似，但沒有籠型繞組和其他起動裝置。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、無相不等），轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù)（2p=2,4，）組成。圖2.1 直流無刷電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖當(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)生的轉(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

4、控制電子開關(guān)電路，從而使定子各相繞組按一定順序?qū)ǎㄗ酉嚯娏麟S轉(zhuǎn)子位置轉(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(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的換相作用。如圖2.2所示。圖2.2 無刷直流電動機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖因此，所謂直流無刷電動機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺由電子開關(guān)線路、永磁式同步電動機(jī)以及位置傳感器三者組成的“電動機(jī)系統(tǒng)”。其原理框圖如圖2.3所示。直流電源電動機(jī)開關(guān)電路位置傳感器圖2.3 直流無刷電動機(jī)的原理框圖位置傳感器在直流無刷電動機(jī)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

5、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(jī)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【3】。2.4 基本工作原理眾所周知，一般的永磁式直流電動機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場。由于電刷的換向作用，使得這兩個磁場的方向在直流電動機(jī)運行的過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電動機(jī)不停地運轉(zhuǎn)。直流無刷電動機(jī)為了實現(xiàn)無電刷換相，首先要求把一般直流電動機(jī)的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。但僅這樣做還是

6、不行的，因為用一般直流電源給定子上各繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場，它不能與運動中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場相互作用，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。所以，直流無刷電動機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動機(jī)本體以外，還要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換相裝置，使得直流無刷電動機(jī)在運行過程中定子繞組所產(chǎn)生的的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場，在空間始終保持在（/2）rad左右的電角度。2.5 無刷直流電機(jī)參數(shù)本系統(tǒng)采用的無刷電機(jī)參數(shù)·額定功率：100W·額定電壓：24V（DC）·額定轉(zhuǎn)速：3000r/min·額定轉(zhuǎn)矩：0.23Nm·最大

7、轉(zhuǎn)矩：0.46Nm·定位轉(zhuǎn)矩：0.01Nm·額定電流：4.0A·最大電流：8.0A·極對數(shù)：4·霍爾傳感器位置呈60°放置2.6 三相無刷電動機(jī)主電路及工作方式無刷直流電機(jī)有多相結(jié)構(gòu)，每種電動機(jī)可分為半橋驅(qū)動和全橋驅(qū)動，全橋驅(qū)動又可分為星形聯(lián)結(jié)和三角形聯(lián)結(jié)以及不同的通電方式。因此，不同的選擇會使電動機(jī)產(chǎn)生不同的性能和成本，這是每一個應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計者都要考慮的問題。下面做一下對比。（1）繞組的利用率。與普通直流電機(jī)不同，無刷直流電動機(jī)的繞組是斷續(xù)通電的。適當(dāng)?shù)靥岣呃@組通電利用率可以使同時通電導(dǎo)體數(shù)增加，使電阻下降，提高效率。從這個角度來看

8、，三相比四相好，四相比無相好，全橋比半橋好。（2）轉(zhuǎn)矩的波動。無刷直流電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波動比普通直流電動機(jī)的大，因此希望盡量減小轉(zhuǎn)矩波動。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的波動越小。全橋驅(qū)動比半橋驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的波動小。（3）電路的成本。相數(shù)越多，驅(qū)動電路所使用的開關(guān)管越多，成本越高。全橋驅(qū)動比半橋驅(qū)動所使用的開關(guān)管多一倍，因此成本要高。多相電動機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高【9】。綜合上述分析，本系統(tǒng)采用三相星形（Y）聯(lián)結(jié)全控電路，如圖2.4。圖2.4 三相星形（Y）聯(lián)結(jié)繞組三相全控橋式電路單片機(jī)輸入控制信號到LM621的輸入端，通過內(nèi)部驅(qū)動之后控制信號被加載到功率MOSFET的柵極，通過控制信號驅(qū)動MOSFET的開關(guān)

9、，這樣只要單片機(jī)控制好各相輸出的相位關(guān)系在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到合適的位置后進(jìn)行換相，這樣就能在單片機(jī)端口輸出TTL電平的時候輸出端將高壓信號直接加載到無刷直流電機(jī)的相應(yīng)相的繞組上。在三相逆變電路中，應(yīng)用最多的是如圖2.4所示的三相橋式全控逆變電路。在該電路中，電動機(jī)的三相繞組為星形（Y）聯(lián)結(jié)。VF1、VF2、VF6為六只MOSFET功率管，起繞組的開關(guān)作用。他們的通電方式又可分為兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種方式。1.兩兩通電方式所謂兩兩導(dǎo)通方式是指每一瞬間有兩個功率管導(dǎo)通，每隔1/ 6周期（60°電角度）換相一次，每次換相一個功率管，每一功率管導(dǎo)通120°電角度。各功率管的導(dǎo)通順序是VF1V

10、F2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1、。當(dāng)功率管VF1和VF2導(dǎo)通時，電流從VF1管流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)VF2管回到電源。如果認(rèn)定流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，那么從繞組流出所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩則為負(fù)，它們合成的轉(zhuǎn)矩如圖2.5（a）所示，其大小為Ta，方向在Ta和Tc的角平分線上。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過60°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)矩如圖2.5（b）所示，其大小同樣為Ta。但合成轉(zhuǎn)矩Tbc的方向轉(zhuǎn)過了60°電角度，而后每次換相一個功率管，合成轉(zhuǎn)

11、矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過60°電角度，但大小始終保持Ta不變。圖2.5（c）示出了全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。圖2.5 星形（Y）聯(lián)結(jié)繞組兩兩通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖（a）VF1、VF2導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩；（b）VF2、V F3導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩；（c）兩兩通電時合成轉(zhuǎn)矩矢量圖所以，同樣一臺無刷直流電動機(jī)，每相繞組通過與三相半控電路同樣的電流時，采用三相星形（Y）聯(lián)結(jié)全控電路，在兩兩換相的情況下，其合成轉(zhuǎn)矩增加了倍。每隔60°電角度換向一次，每個功率管通電120°，每個繞組通電240°，其中正相通電和反相通電各120°，其輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖2.6所示。由圖2.6可以看

12、出，三相全控時的轉(zhuǎn)矩波動比三相半控時小得多。如將三只霍爾傳感器按相位差120°安裝，則它們所產(chǎn)生的波形如圖2.7（a）所示。其換相的控制電路可由一片74LS138型38譯碼器和74LS09、74LS38兩片門電路構(gòu)成，本系統(tǒng)采用無刷直流電動機(jī)專用集成芯片LM621控制，如圖2.7（b）所示。圖2.6 全控橋輸出波形圖 （a）(b)圖2.7 全控橋兩兩通電電路原理示意圖（a）傳感器輸出波形；（b）原理示意圖2.三三通電方式所謂三三通電方式，是指每一瞬間均有三只功率管同時通電，每隔60°換相一次，每個功率管通電180°。它們的導(dǎo)通次序是VF1VF2VF3、VF2VF3

13、VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3、。 當(dāng)VF6VF1VF2導(dǎo)通時，電流從VF1流入A相繞組，經(jīng)B相和C相繞組（這時B、C兩相繞組為并聯(lián)）分別從VF6和VF2流出。這時流過B相和C相繞組的電流分別為流過A相繞組的1/2，其合成轉(zhuǎn)矩如圖2.8（a）所示，其方向與A相相同，而大小為1.5Ta。經(jīng)過60°電角度后，換相到VF1VF2VF3通電，即先關(guān)斷VF6而后導(dǎo)通VF3 （注意，一定要先關(guān)VF6而后通VF3，否則就會出現(xiàn)VF6和VF3同時通電，則電源被短路，這是絕對不允許的）。這時電流分別從VF1和VF3流入，經(jīng)A相

14、和B相繞組（相當(dāng)于A相和B相并聯(lián)）再流入C相繞組，經(jīng)VF2流出，合成轉(zhuǎn)矩如圖2.8（b）所示，其方向與-C相同，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過60°電角度后大小仍為1.5Ta。再經(jīng)過60°電角度后，換相到VF2VF3VF4通電，而后依次類推，循環(huán)往復(fù)。它們的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖如圖2.8（c）所示。圖2.8 三三通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖（a）VF6VF1VF2導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩；（b）VF1VF2VF3導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩；（c）三三通電時的合成轉(zhuǎn)矩在這種通電方式里，每瞬間均有三個功率管通電。每隔60°換相一次，每次有一個功率管換相，每個功率管導(dǎo)通180°。從某一相上看，星形（Y）聯(lián)結(jié)三三通電方式一相電壓波形如圖2.9所示。圖2.9 星形（Y）聯(lián)結(jié)三三通電方式一相電壓波形此外，根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路，直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。它們各有特點，本系統(tǒng)使用電壓型逆變電路，它有以下特點：（1）直流側(cè)為電壓源，或接有大電容，相當(dāng)于電壓源，直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。（2）由