直流無刷電機及其驅動技術

關于直流無刷電機及其驅動技術第1頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三3.3無刷直流電動機

（BrushlessDirectCurrentMotor,BLDC）

1、無刷直流電動機結構2、無刷直流電動機工作原理3、力矩和速度的控制4、PWM控制技術第2頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三

1.結構由定子、轉子、檢測轉子磁極位置的傳感器及換相電路組成。定子采用疊片結構并在槽內(nèi)鋪設繞組的方式。定子繞組多采用三相并以星形方式連接。第3頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三將永磁體貼裝在非導磁材料表面或鑲嵌在其內(nèi)構成。大部分BLDC采用表面安裝方式。多為2到3對極的。磁性材料多采用具有高磁通密度的稀土材料，如銣鐵硼等

第4頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三結構上BLDC與PMSM有些相似，但有兩點不同：BLDC的轉子磁極經(jīng)專門的磁路設計，可獲得梯形波的氣隙磁場。而PMSM的氣隙磁場是正弦波的。BLDC的定子繞組結構使之產(chǎn)生的反電勢是梯形波的。而PMSM繞組結構產(chǎn)生正弦型的反電勢。PMSM定子繞組產(chǎn)生正弦型的反電勢BLDC的定子繞組產(chǎn)生的反電勢是梯形波第5頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三2.工作原理1）旋轉磁場如何產(chǎn)生？BLDC本質上是一種同步電機，即定子繞組通電產(chǎn)生旋轉磁場，吸引轉子磁極與之對準，產(chǎn)生軸的運動。假定電機定子為3相6極，相對應極的兩個繞組首尾相接組成一相繞組，3相繞組星型連接。第6頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三當電流流過流過兩個繞線方向相同的鐵芯線圈時，電流方向不同，產(chǎn)生的磁場方向也不同。假如電流從A相繞組流進，從B相繞組流出，A相繞組產(chǎn)生從COM端指向A端的磁勢，B相繞組產(chǎn)生從B端指向COM端的磁勢。F第7頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三6步通電順序為產(chǎn)生旋轉磁場，三相繞組按按如下規(guī)則通電：每步三個繞組中一個繞組流入電流，一個繞組流出電流，一個繞組不導通；通電順序為：

1.A+B-2.C+B-3.C+A-4.B+A-5.B+C-6.A+C-每步僅一個繞組被換相。每步磁場旋轉60度，每6步旋轉磁場旋轉一周。第8頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三隨著磁場的旋轉，吸引轉子磁極隨之旋轉。磁場順時針旋轉，電機順時針旋轉：1→2→3→4→5→6磁場逆時針旋轉，電機逆時針旋轉：6→5→4→3→2→11.A+B-2.C+B-3.C+A-4.B+A-5.B+C-6.A+C-第9頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三2）如何實現(xiàn)換相？1.A+B-2.C+B-3.C+A-4.B+A-5.B+C-6.A+C-必須換相才能實現(xiàn)磁場的旋轉。在無刷電機中，根據(jù)轉子磁極的位置實現(xiàn)換相。要想根據(jù)轉子磁極的位置換相，就必須知道轉子磁極的位置。并不需要連續(xù)的位置信息，僅知道換相點的位置即可。在BLDC中，一般采用3個開關型霍爾傳感器測量轉子的位置。由其輸出的3位二進制編碼去控制逆變器中6個功率管的導通實現(xiàn)換相。第10頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三開關型霍爾傳感器

霍爾元件+信號處理電路=霍爾傳感器利用霍爾效應，當施加的磁場達到“動作點”時，OC門輸出低電壓，稱這種狀態(tài)為“開”;當施加磁場達到“釋放點”使OC門輸出高電壓，稱其為“關”施密特觸發(fā)器通過引入“磁場門限”消除振蕩現(xiàn)象。第11頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三如果將一只霍爾傳感器安裝在靠近轉子的位置，當轉子N極靠近霍爾傳感器即磁感應強度達到一定值時，其輸出是導通狀態(tài)；導通狀態(tài)保持直到電機旋轉使得S極靠近霍爾傳感器并達到一定值時，其輸出才翻轉為截止狀態(tài)。在S-N交替變化磁場下，傳感器輸出波形占高、低電平各占50%。如果轉子是一對極，則電機旋轉一周霍爾傳感器輸出一個周期的電壓波形，如果轉子是兩對極，則輸出兩個周期的電壓波形。無刷電機中霍爾傳感器輸出波形及編碼第12頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三霍爾傳感器間隔120度時的輸出波形及編碼直流無刷電機中一般安裝3個霍爾傳感器，間隔120度或60度按圓周分布。如果間隔120度，則3個霍爾傳感器的輸出波形相差120度轉子旋轉180度后轉子磁極極性轉換，因此輸出信號中高、低電平各占180度。如果規(guī)定輸出信號高電平為“1”，低電平為“0”，則輸出的三個信號可用3位二進制編碼表示。每60度編碼改變一次。第13頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三霍爾傳感器間隔60度時的輸出波形及編碼如果3個霍爾開關間隔60度，則輸出波形相差60度電角度。間隔120度與60度的二進制編碼是不同的。但也是每60度電角度，編碼改變一次，輸出信號中高、低電平各占180度。111110100000001011111110ABC第14頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三多對轉子磁極時霍爾傳感器的輸出波形及編碼當轉子為兩對磁極時，如轉子旋轉一周即360度機械角度時霍爾傳感器輸出兩個周波即720度電角度。機械角度是指電機轉子的旋轉角度,由Θm表示；電角度是指磁場的旋轉角度，由Θe表示。當轉子為一對極時，Θm=Θe；當轉子為n對極時，Θe=nΘm。例如，所示的BLDC電機轉子有兩對磁極，3個霍爾開關間隔60度。兩周電氣旋轉對應于一周機械旋轉。每60度電角度編碼改變一次。輸出信號中高、低電平各占180度。第15頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三

換相過程

假定定子繞組為3相，轉子為2對極，3個霍爾傳感器間隔60度按圓周分布，由6只晶體管組成的逆變器給電機供電。從霍爾傳感器輸出的二進制編碼控制6個功率管的導通，可由邏輯電路實現(xiàn)，也可由軟件編程實現(xiàn)。

1.A+C-2.A+B-3.C+B-4.C+A-5.B+A-6.B+C-

第16頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三3、力矩和速度的控制當電機轉子旋轉時，由電磁感應定律分別在三相定子繞組中產(chǎn)生三個反電勢。反電勢的大小取決于3個因素：轉子的角速度、由轉子磁極產(chǎn)生的磁場和定子繞組的匝數(shù)。

Ea=Eb=Ec=Keω永磁無刷直流電動機的轉子磁極經(jīng)專門的磁路設計，可獲得梯形波的氣隙磁場，定子采用集中整距繞組，因而感應的電動勢也是梯形波的。由逆變器提供與電動勢嚴格同相的方波電流。第17頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三BLDC電機從功率平衡的角度考慮Tω=EaIa+EbIb+EcIc又因為E=Keω,且在所有的時間都只有兩相繞組流過相同電流，

T=2KeIa可見，力矩與定子繞組電流成正比，改變電流即改變力矩。特點：定子電流為方波，反電動勢為梯形波，且在每半個周期內(nèi)，方波電流的持續(xù)時間為120°電角度，梯形波反電動勢的平頂部分也為120°電角度，兩者應嚴格同步。第18頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三定子磁勢和轉子磁勢的角度關系按照電機統(tǒng)一規(guī)律，必須保證θs-θr為90度，才能取得最大轉矩。因旋轉磁場是60度增量，看來無法實現(xiàn)這個關系。但通過適當?shù)陌才趴蓪崿F(xiàn)平均90度的關系。如果每一步都使離轉子磁極120度的定子磁勢所對應的繞組導通，并且當轉子轉過60度后換相，如此重復每一步，則可使定子磁勢與轉子磁勢相差60-120度，平均90度。第19頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三轉子總是朝著著能使θs-θr減小的方向運動,一直延續(xù)到下一次換相瞬間.即轉子從θs-θr為120°一直運動到θs-θr為60°,然后定子電流換相,定子繞組的磁動勢向前步進60°.結果θs-θr又變?yōu)?20°,接著轉子又朝θs-θr減小的方向運動,如此反復,就產(chǎn)生了定子磁勢與轉子磁勢相差60-120度，平均90度的關系。第20頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三力矩的波動換相轉矩脈動：每次換相時，由于繞組電感的作用電流不能突變，電流的過渡過程產(chǎn)生力矩波動。由于轉矩存在波動，限制了它在對速度變化比較敏感的場合的應用。但當速度較高時，負載的轉動慣量會對此產(chǎn)生平滑作用。第21頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三速度的控制無刷直流電機和有刷直流電機相似，改變定子繞組電壓的幅值即能改變電機速度。但無刷直流電動機與永磁交流同步電機一樣，實質上是一種同步電動機。表面上通過改變電壓控制速度，實際上通過改變力矩改變電機速度，使霍爾傳感器發(fā)出的編碼信號改變逆變器換相的速度，從而改變電機的供電頻率，保證轉子轉速與供電頻率同步。因此是通過電壓和頻率的協(xié)調(diào)來控制轉速。第22頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三速度的控制從電動機本身看，它是一臺同步電動機，但是如果把它和逆變器、轉子位置檢測器合起來看，就象是一臺直流電動機。直流電機電樞里面的電流本來就是交變的，只是經(jīng)過換向器和電刷才在外部電路表現(xiàn)為直流。無刷直流電動機逆變器和轉子位置檢測器替代機械式換向器和電刷。歷史上無刷直流電動機有過交流伺服電機、梯形波交流伺服電機、無刷直流電機等多種稱呼。第23頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三永磁交流同步電機也是通過傳感器檢測電機位置，從而改變dq坐標系的旋轉速度也即電壓頻率(磁場旋轉速度）來改變電機速度的?？刂葡到y(tǒng)也和DC系統(tǒng)一樣，要求不高時，可采用開環(huán)調(diào)速，要求較高時可采用速度回路和電流回路改善性能。無論是開環(huán)還是閉環(huán)系統(tǒng)，都必須具備轉子位置檢測、發(fā)出換相信號、調(diào)速時對直流電壓的PWM控制等基本功能。第24頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三BLDC電機的速度---力矩特性曲線

在連續(xù)工作區(qū)，電機可被加載直至額定轉矩Tr.在電機起停階段，需要額外的力矩克服負載慣性。這時可使其短時工作在短時工作區(qū)，只要其不超過電機峰值力矩Tp且在特性曲線之內(nèi)即可。第25頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三4、PWM控制技術為了使BLDC電機速度可變，必須在繞組的兩端加可變電壓。利用PWM控制技術，通過控制PWM信號的不同占空比，則繞組上平均電壓可以被控制，從而控制電機轉速和力矩。在控制系統(tǒng)中采用DSP或單片機時，可利用器件中的PWM產(chǎn)生模塊產(chǎn)生PWM波形。根據(jù)轉速要求設定占空比，然后輸出6路PWM信號，加到6個功率管上。第26頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三例：由dsPIC30F2010的PWM模塊產(chǎn)生PWM信號的機制第27頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三當下橋臂的功率管由導通到關斷時，上橋臂的功率管延時一段時間再由關斷到導通，以防止橋臂直通。這個延時時間稱為”死區(qū)”。死區(qū)可通過編程改變。第28頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三MCPWM的PWM時基模塊中有一個專用的16位PTMR計數(shù)器和一個PTPER數(shù)字寄存器，PTMR對定時時鐘計數(shù)，PTPER中置入的數(shù)字確定了PWM信號的周期。PTMR計數(shù)器啟動計數(shù)后，其計數(shù)值與PTPER中置入的數(shù)字值比較，兩者一致時，就輸出一個周期的PWM信號。改變PTPER的值，就可以方便的改變計數(shù)的周期，這樣就可以改變PWM波形的頻率。PWM發(fā)生器#中PDC數(shù)字寄存器中置入的數(shù)字確定了PWM信號的占空比。比較器將設定的比較值PDC*與PTMR計數(shù)值相比較，產(chǎn)生PWM波形的跳變。只要實時PDC*的值，就可以改變單位周期內(nèi)高電平或者低電平的脈沖寬度，產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波形。通過占空比比較產(chǎn)生的三個輸出將被分別傳輸給死區(qū)置入及輸出寄存器，可以在高電平變低與低電平變高之間插入一段死區(qū)。以防止輸出驅動器發(fā)生意外的直通現(xiàn)象。特殊函數(shù)寄存器OVDCOND中的各位直接控制6個PWM輸出通道。當位為1時，已建立的占空比信號出現(xiàn)在該位所對應的輸出通道上，當位為0時，其輸出被禁止。第29頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三OVDCOND寄存器的值由霍爾傳感器輸出的二進制編碼