Chapter 7 永磁無刷DC電動機調(diào)速系統(tǒng)

Chapter7永磁無刷DC電動機調(diào)速系統(tǒng)（PermanentMagnetBrushlessDCMotorDriveSystem)直流電動機（DCMotor）特點起動和調(diào)速性能好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，被廣泛應(yīng)用于各種驅(qū)動和伺服系統(tǒng)中。DC電動機（續(xù)）但是，直流電動機具有電刷和換向器組成的機械換向裝置，其間的滑動接觸，嚴(yán)重地影響電機的精度和可靠性，縮短電機壽命，需要經(jīng)常性的維護(hù)，所產(chǎn)生的火花會引起無線電干擾；電刷換向器裝置又使直流電機結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，工作噪音大。Chapter7PMBLDCM永磁無刷DC電動機調(diào)速系統(tǒng)（PermanentMagnetBrushlessDCMotorDrives，簡稱為PMBLDCM）Chapter7PMBLDCM是集永磁電動機、微處理器、功率變換器、檢測元件、控制軟件和硬件于一體的新型機電一體化產(chǎn)品，它采用功率電子開關(guān)（如GTR、MOSFET、IGBT）和位置傳感器代替電刷和換向器，既保留了直流電動機良好的運行性能，又具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便和運行可靠等特點，在航空航天、數(shù)控裝置、機器人、計算機外設(shè)、汽車電器、電動車輛和家用電器的驅(qū)動中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。Chapter7PMBLDCMWhyweselectthePMBLDCM?ReliablestructureSimplecontrolRobustnessLownoise(EMI+acoustic)vs.BrushedtypemachineHighefficiencyChapter7PMBLDCM第二節(jié)

PMBLDCM的基本結(jié)構(gòu)和工作原理永磁無刷直流電動機主要由永磁電機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和功率電子開關(guān)（逆變器）三部分組成圖7-1永磁無刷直流電動機的原理框圖Chapter7PMBLDCM一、基本結(jié)構(gòu)圖7-2永磁無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)簡圖Chapter7PMBLDCM電動機本體電動機本體是一臺反裝式的普通永磁直流電動機，它的電樞放在定子上，永磁磁極放在轉(zhuǎn)子上，結(jié)構(gòu)與永磁式同步電動機相似。定子鐵心中安放對稱的多相繞組，通常是三相繞組，繞組可以是分布式或集中式，接成星形或封閉形，各相繞組分別與電子開關(guān)中的相應(yīng)功率管連接。永磁轉(zhuǎn)子多用鐵氧體（Ferrite）或釹鐵硼（NdFeB）等永磁材料制成，不帶鼠籠繞組等任何起動繞組，主要有表面貼裝式和內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，如圖7-3所示。Chapter7PMBLDCM圖7-3永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式(a)表面貼裝式；(b)內(nèi)嵌式.1－磁鋼；2－鐵心（a)（b）Chapter7PMBLDCM外轉(zhuǎn)子洗衣機PMBLDCMChapter7PMBLDCMChapter7PMBLDCM2.逆變器

逆變器主電路有橋式和非橋式兩種，如圖7-4所示。其中圖(a)、(b)是非橋式開關(guān)電路，其它是橋式開關(guān)電路。在電樞繞組與逆變器的多種聯(lián)接方式中，以三相星形六狀態(tài)(圖7-4(c))和三相星形三狀態(tài)(圖7-4(a))使用最廣泛。Chapter7PMBLDCM（a）(a)星形三相三狀態(tài)；(b)星形四相四狀態(tài)；(c)星形三相六狀態(tài)；(d)封閉三相六狀態(tài)（b）（c）（d）圖7-4逆變器主電路Chapter7PMBLDCM(e)正交兩相四狀態(tài)(f)封閉四相四狀態(tài)Chapter7PMBLDCM3.轉(zhuǎn)子位置傳感器常見的有磁敏式、電磁式和光電式磁敏式位置傳感器利用電流的磁效應(yīng)進(jìn)行工作，所組成的位置檢測器由與轉(zhuǎn)子同極數(shù)的永磁檢測轉(zhuǎn)子和多只空間均布的磁敏元件構(gòu)成。目前，常用的磁敏元件為霍爾元件或霍爾集成電路，它們在磁場作用下產(chǎn)生霍爾電勢，經(jīng)整形、放大后得到所需的電壓信號，即位置信號。圖7-5為霍爾集成電路。Chapter7PMBLDCM（a）外形（a）外形（a）外形（b）電路原理（c）開關(guān)型輸出特性圖7－5Hall集成電路Chapter7PMBLDCM霍爾集成電路分為：（1）線性；（2）開關(guān)型無刷直流電動機中一般使用開關(guān)型霍爾位置傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小，但對環(huán)境和工作溫度有一定限制?；魻栁恢脗鞲衅魇怯来艧o刷直流電機中使用較多的一種。(2)電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器利用電磁效應(yīng)來測量轉(zhuǎn)子位置，其結(jié)構(gòu)如圖7-6所示。傳感器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子由磁芯、高頻勵磁繞組和輸出繞組組成。定、轉(zhuǎn)子磁芯均由高頻導(dǎo)磁材料（如軟鐵氧體）制成。電機運行時，輸入繞組中通入高頻勵磁電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子扇形磁芯處在輸出繞組下面時，輸入和輸出繞組通過定、轉(zhuǎn)子磁芯偶合，輸出繞組中感應(yīng)出高頻信號，經(jīng)濾波整形處理后，用于控制逆變器開關(guān)管。Chapter7PMBLDCM圖7-6電磁式位置傳感器1－轉(zhuǎn)子磁芯；2－定子磁芯；3－輸出繞組；4－高頻輸入繞組

(3)光電式位置傳感器光電式位置傳感器由固定在定子上的幾個光電偶合開關(guān)和固定在轉(zhuǎn)子軸上的遮光盤所組成，如圖7-7所示。若干個光電偶合開關(guān)沿圓周均布，每個光電偶合開關(guān)由相互對著的紅外發(fā)光二極管D1和光敏三極管V1組成。遮光盤P處于發(fā)光二極管和光敏三極管中間，盤上開有一定角度的窗口。紅外發(fā)光二極管通電后發(fā)出紅外光，遮光盤隨電機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，紅外光間斷地照在光敏三極管上，使其不斷地導(dǎo)通和截止，它輸出的信號反應(yīng)了電機轉(zhuǎn)子的位置，經(jīng)V2放大后驅(qū)動逆變器開關(guān)管。

Chapter7PMBLDCM圖7－7光電式位置傳感器Chapter7PMBLDCM二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)三相永磁無刷直流電動機，配上圖7-4(c)所示的逆變器便可實現(xiàn)二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)，其原理接線如圖7-2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體轉(zhuǎn)到圖7-10（a）所示位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器發(fā)出磁極位置信號，經(jīng)過控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使功率開關(guān)管V1、V6導(dǎo)通，A進(jìn)B出，繞組A、B通電，電樞電流在空間形成磁勢FA，如圖7-10（a）所示。此時定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用拖動轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。電流流通路徑為：電源正極→V1管→A相繞組→B相繞組→V6管→電源負(fù)極。（a）（b）

圖7-10二相導(dǎo)通三相星形六狀態(tài)無刷直流電機工作原理示意圖當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60電角度，到達(dá)圖7-10（b）中位置時，位置傳感器輸出的信號，經(jīng)邏輯變換后使V6截止，V2導(dǎo)通，此時V1仍導(dǎo)通。繞組A、C通電，A進(jìn)C出，電樞電流在空間合成磁場如圖7-10（b）所示，定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針方向轉(zhuǎn)動。電流流通路徑為：電源正極→V1管→A相繞組→C相繞組→V2管→電源負(fù)極。依次類推，每當(dāng)轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)過60電角度時，功率管就進(jìn)行一次換流。隨著電機轉(zhuǎn)子的連續(xù)轉(zhuǎn)動，功率開關(guān)管的導(dǎo)通順序依次為V2V3→V3V4→V4V5→V5V6→V6V1……，使轉(zhuǎn)子磁場始終受到定子合成磁場的作用而沿順時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。Chapter7PMBLDCM從圖7-10（a）到7-10（b）的60電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場順時針連續(xù)轉(zhuǎn)動，而定子磁場在空間保持圖7-10（a）中的位置不動，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)過60電角度到達(dá)圖中7-10（b）的位置時，定子合成磁場才從圖7-10（a）中位置順時針躍變至7-10（b）中的位置。定子合成磁勢在空間是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，其步進(jìn)角為60電角度，即1/6周期。

轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60電角度（1/6周期），逆變器開關(guān)管換流一次，定子磁場狀態(tài)就改變一次?？梢?，兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)控制方式時電機有6個磁狀態(tài)，每一個狀態(tài)各有不同相的上、下橋臂開關(guān)管導(dǎo)通，每個功率開關(guān)元件導(dǎo)通120電角度（1/3周期），逆變器為120導(dǎo)通型；另一方面，每一個狀態(tài)導(dǎo)通的兩個開關(guān)管與不同相繞組相聯(lián)，每一個狀態(tài)導(dǎo)通兩相，每相繞組中流過電流的時間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過120電角度的時間。兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)PMBLDCM的三相繞組與開關(guān)管導(dǎo)通順序的關(guān)系示于表7-1。表7-1兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)三相繞組和開關(guān)管導(dǎo)通順序表第三節(jié)永磁無刷直流電動機的運行特性一、基本方程永磁無刷直流電動機的基本物理量有反電動勢、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等。圖7-11方波氣隙磁場分布圖7-11方波氣隙磁場分布

Chapter7PMBLDCM圖7-12梯形波反電動勢與方波電流Chapter7PMBLDCM為了便于分析，特作如下假設(shè)：（1）忽略電樞繞組的電感，電樞電流可以突變；（2）不考慮開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷動作的過渡過程，認(rèn)為每一相電流是瞬時產(chǎn)生和關(guān)斷的。1.電樞繞組感應(yīng)電動勢設(shè)電樞每相繞組串聯(lián)匝數(shù)為W，每相感應(yīng)電動勢為

（7-1）（7-2)

Chapter7PMBLDCM（7-3）方波氣隙磁感應(yīng)強度對應(yīng)的每極磁通為（7-4）每相繞組感應(yīng)電動勢為（7-5）則線電動勢為（7-6）式中，為電動勢常數(shù)Chapter7PMBLDCM2.電樞電流（7-8）

3.電磁轉(zhuǎn)矩電機的電磁轉(zhuǎn)矩

（7-9）為電機的機械角速度。則有式中，Chapter7PMBLDCM

（7-10）4.轉(zhuǎn)速將式（7-6）代入式（7-7）得

（7-11）

（7-12）空載轉(zhuǎn)速為其中，Chapter7PMBLDCM5.電勢系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)電動勢系數(shù)為

（7-13）

（7-14）轉(zhuǎn)矩系數(shù)為二、運行特性1.機械特性由式（7-11）可得永磁無刷直流電動機的機械特性為（7-15）

圖7-13機械特性曲線

圖7-14調(diào)節(jié)特性曲線

2.調(diào)節(jié)特性根據(jù)式（7-8）、式（7-10）和式（7-11）可分別求得調(diào)節(jié)特性的始動電壓和斜率K，即

（7-16）

（7-17）第四節(jié)永磁無刷直流電動機的控制方法一、有位置傳感器控制（1）轉(zhuǎn)速控制：通過PWM方法改變電壓大小調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）正、反轉(zhuǎn)控制：通過改變繞組的通電順序（3）電流控制：電流的閉環(huán)控制圖7-16單片機控制永磁無刷直流電動機原理圖PMBLDC仿真電流波形PMBLDCM正常換相時電流實驗波形

換相超前時ABC三相電流試驗波形

二、無位置傳感器控制無位置傳感器控制方式一般指的是電機無機械式位置傳感器，即不在無刷直流電動機的定子上直接安裝位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置。但是在電機的控制運行過程中，轉(zhuǎn)子位置換相信號是必需的。所以，永磁無刷直流電機無位置傳感器控制的關(guān)鍵是設(shè)計一轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路，從硬件和軟件兩個方面來間接獲取可靠的轉(zhuǎn)子位置信號。Posit