無刷直流電機原理

1、無刷直流電機原理無刷直流電機原理相關(guān)理論無刷直流電機數(shù)學(xué)模型及運行特性無刷直流電機工作原理無刷直流電機控制方法一、相關(guān)理論一、相關(guān)理論1、左手定則判斷安培力:伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi);讓磁感線從掌心進入，并使四指指向電流的方向，這時拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向。2、右手定則判斷磁場方向：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。3、換相原理二、無刷直流電機數(shù)學(xué)模型及運行特性二、無刷直流電機數(shù)學(xué)模型及運行特性假定電機定子三相完全對稱，空間上互差120電角度；三相繞組電阻、電感參數(shù)完全相同；轉(zhuǎn)

2、子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場為方波，三相繞組反電動勢為梯形波；忽略定子繞組電樞反應(yīng)的影響等，無刷直流電機數(shù)學(xué)模型如下。e為反電動勢直流無刷電動機電磁轉(zhuǎn)矩是由定子繞組中的電流與轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生的。定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩表達式為：機械運動方程為：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；T為負(fù)載；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；Pn為磁極數(shù)；可以看出，直流無刷電動機的電磁轉(zhuǎn)矩方程與普通的直流電機相似，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流的幅值成正比，所以只要控制逆變器輸出方波電流的幅值即可控制直流無刷電機的轉(zhuǎn)矩。UIREU運行特性電動勢平衡方程：U是電源電壓；E為反電動勢；I為平均電樞電流；R為繞組平均電阻; U為功率管飽和壓降其中UI

3、REU啟動特性：電機在啟動時，反電動勢為0，因此電樞電流為：其值可為正常工作電流十幾倍，所以啟動電磁矩比較大。電機可以很快啟動，并能帶動負(fù)載啟動。隨著轉(zhuǎn)子加速，反電動勢E增加，電樞電流減小，轉(zhuǎn)矩降低，加速度減小，最后進入正常工作狀態(tài)。工作特性：無刷直流電機工作特性主要包括如下關(guān)系：電樞電流和電機效率與輸出轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系。電樞電流和輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為電樞電流隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增加而增加。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩為0時，電機效率為0.隨著輸出轉(zhuǎn)矩增加，電機效率增加。當(dāng)電機的可變損耗等于不變損耗時，電機效率達到最大，隨后開始下降。RUUIn機械特性：機械特性是指外加電壓恒定時，電機轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。由上式可知電磁

4、轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的減小而線性增加右圖為電機在不同的供電電壓驅(qū)動下的機械特性曲線。調(diào)速特性：由上式可知，在同一轉(zhuǎn)速下改變電源電壓，可以很容易的改變輸出轉(zhuǎn)矩，所以無刷直流電機具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過調(diào)節(jié)電壓實現(xiàn)平滑調(diào)速。)(RnKeRUUKmTe三、無刷直流電機工作原理三、無刷直流電機工作原理無刷直流電機要轉(zhuǎn)動，須先根據(jù)位置傳感器的輸出信號確認(rèn)轉(zhuǎn)子位置。然后通過電子換相線路去驅(qū)動電機本體使電樞繞組依次通電，從而在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。直流電源電子換相電路電機本體轉(zhuǎn)子位置傳感器 一般無刷直流電機的具體控制框圖如圖所示。定子三相繞組是相差120對稱分布的。圖中三相繞組是星型連接的。

5、其中6個功率管的開關(guān)由控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置來決定。因此，可以通過控制電路控制V1V6 6個開關(guān)管的開關(guān)順序，來調(diào)整電機線圈的通電順序，以實現(xiàn)電機的換相操作使電機運轉(zhuǎn)起來。圖為繞組星型連接的具體接線圖。電機引出三根線A、B、C。當(dāng)它們之間兩兩通電時，有6種情況，分別是AB 、AC、BC、BA、CA、和CB。圖示說明線圈通電時產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的方向（短箭頭表示）和兩個線圈合成磁感應(yīng)強度方向（長箭頭表示）。如圖，當(dāng)AB相通電，中間轉(zhuǎn)子（未畫出）會盡量往長箭頭方向?qū)ζ?。?dāng)轉(zhuǎn)子達到長箭頭位置時，外線圈換相，改成AC相通電。這時轉(zhuǎn)子會繼續(xù)轉(zhuǎn)動并往長箭頭處對其。以后以此類推。上圖講的是原理，實際操作的時候不

6、會讓轉(zhuǎn)子與定子磁場方向?qū)R，而是定子主磁場方向一直超前轉(zhuǎn)子磁場一定角度，這樣才會使轉(zhuǎn)矩較大。一般利用霍爾傳感器檢測位置的話，會60換相一次（磁場跳躍60）。換相后定子主磁場方向超前轉(zhuǎn)子磁場120，轉(zhuǎn)子會向與定子磁場方向?qū)ζ涞姆较蛐D(zhuǎn)。從相距120到相距60，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動60，這樣可以使產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的垂直位置正好位于本次通電的中間時刻。然后繞組換相，定子主磁場再次向前跳躍60，這樣轉(zhuǎn)子又慢慢跟上來，如此往復(fù)就可實現(xiàn)電機連續(xù)轉(zhuǎn)動。四、無刷直流電機控制方法四、無刷直流電機控制方法1、控制方法分類通常根據(jù)直流無刷電機定子繞組與換相開關(guān)之間聯(lián)結(jié)方式的不同以及換相開關(guān)結(jié)構(gòu)的不同，可以把對直流無刷電機的控制分為

7、兩類：一類是半橋型控制結(jié)構(gòu)，另一類是全橋型控制結(jié)構(gòu)。三相電機的半橋型控制結(jié)構(gòu)如圖所示，電機的三相繞組直接與三只開關(guān)管相連，主電路結(jié)構(gòu)簡單，三相半橋電路雖然簡單，但電動機本體的利用率很低，每個繞組只通電13周期時間，另外23周期處于斷開狀態(tài)，沒有得到充分利用。在運行過程中其轉(zhuǎn)矩從T2變化到T(T=Ta)，波動較大，。而全橋型控制結(jié)構(gòu)，電路相對復(fù)雜，但是對電機根據(jù)電機繞組利用率較高，提高了電機的效率。三相繞組Y連接的全控電路，如圖所示，在該電路中，電動機三相繞組為Y連接。有六只IGBT功率管，起繞組的開關(guān)作用。它們的通電方式可分為兩兩通電方式和三三通電方式兩種。兩兩通電方式：所謂兩兩通電方式是指每

8、一瞬間有兩個功率管導(dǎo)通，每隔16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，每個繞組通電240，其中一半為正向電流，一半為負(fù)向。三相全控時的轉(zhuǎn)矩波動比三相半控時小得多,僅從O.87T變化到T(T=1.732Ta)。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導(dǎo)通，每隔60換相一次，每個功率管通電180，最大轉(zhuǎn)矩為1.5Ta。2、PWM調(diào)制斬控方法三相Y聯(lián)接的直流無刷電動機通常采用三相六狀態(tài)120通電的控制方式（全橋、兩兩導(dǎo)通），PWM的斬波控制方式較為多樣，每種PWM控制方式對電機的控制效果也有所不同。根據(jù)每個導(dǎo)通狀態(tài)PWM作用管子數(shù)目的不同，

9、把PWM調(diào)制方式分成兩大類，一類是“雙斬方式，通常也稱作H-PWM-L_PWM控制方式，每個導(dǎo)通狀態(tài)控制器上、下橋臂的功率管全部進行PWM調(diào)制，如圖所示。另一類是“單斬”方式，在三相六狀態(tài)的任意一個狀態(tài)區(qū)間內(nèi)只對上橋臂或者是只對下橋臂的一個功率管進行PWM斬波控制。單斬方式又可以分為兩大類，一類是六個導(dǎo)通狀態(tài)始終只對上橋臂或是只對下橋臂的功率管進行PwM調(diào)制，在這種方式中有一個橋臂的功率管始終在它應(yīng)該導(dǎo)通的區(qū)間內(nèi)處于全通狀態(tài)：另一類“單斬”方式是使所有的功率管在導(dǎo)通的區(qū)間內(nèi)輪換導(dǎo)通，這種導(dǎo)通方式也有兩種情況，一種是對應(yīng)該導(dǎo)通的功率管在應(yīng)該導(dǎo)通的區(qū)間內(nèi)先讓其處于導(dǎo)通狀態(tài)，在后半個區(qū)間內(nèi)處于PWM

10、調(diào)制控制狀態(tài)，這也就是所謂的ON_PWM單斬控制方式，另一種情況正好相反，是先在前半個導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)進行PWM斬波控制，后半個區(qū)間內(nèi)使其處于全通狀態(tài)，即所謂的PWM_ON控制方式?！半p斬”方式功率管的開關(guān)損耗是“單斬”方式的兩倍，降低了控制器的效率，并且不利于散熱?！皢螖亍狈绞街兄粩厣蠘虮刍蚴窍聵虮鄣姆绞綄崿F(xiàn)比較容易，但是會造成上下橋臂功率管的損耗不同，而六個功率管的輪換的單斬方式其開關(guān)損耗比雙斬方式減少一半，且每個功率管的開關(guān)損耗相同，減少了開關(guān)應(yīng)力，提高了系統(tǒng)的可靠性。因此實際系統(tǒng)中采用六只管子輪換導(dǎo)通的“單斬”方式控制對整個系統(tǒng)比較有利。3、正反轉(zhuǎn)控制直流無刷電機的正反轉(zhuǎn)控制與普通的電機不同，在直流無刷電機電動運行的過程中，它的通電始終與電機的轉(zhuǎn)子位置信號是分不開的，因此不能簡單地通過改變定子繞組導(dǎo)通順序來改變電機轉(zhuǎn)向。具體的電機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子位置信號以及定子繞組之間的換相關(guān)系如表所示。當(dāng)位置信號的上升沿產(chǎn)生中斷時，系統(tǒng)進入中斷服務(wù)子程序。通過將脈沖捕捉單元的脈沖捕捉口CAPlCAP3設(shè)置成普通的IO口，并且檢測這三個口的電平狀態(tài)，就可以確定是電機的哪個位置傳感器的電平發(fā)生變化，從而確定出電機轉(zhuǎn)子磁極現(xiàn)在所處的位置，然后按照