【2019年整理】直流無刷電動(dòng)機(jī)工作原理與控制方法(2)

1、直流無刷電動(dòng)機(jī)工作原理與控制方法 序言 由于直流無刷電動(dòng)機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系 列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，故在當(dāng) 今國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域應(yīng)用日益普及。 一個(gè)多世紀(jì)以來，電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的 各個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活中。其主要類型有同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)三種。 由于傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)均采用電刷以機(jī)械方法進(jìn)行換向，因而存在相對的機(jī)械摩擦，由此帶 來了噪聲、火化、無線電干擾以及壽命短等弱點(diǎn)，再加上制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，從 而大大限制了它的應(yīng)用范圍，致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大多數(shù)均

2、采用三相異步電動(dòng)機(jī)。 針對上述傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的弊病，早在上世紀(jì)30年代就有人開始研制以電子換向 代替電刷機(jī)械換向的直流無刷電動(dòng)機(jī)。經(jīng)過了幾十年的努力，直至上世紀(jì)60年代初終于實(shí) 現(xiàn)了這一愿望。上世紀(jì) 70年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導(dǎo)體功 率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料的問世，均為 直流無刷電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 三相直流無刷電動(dòng)機(jī)的基本組成 直流無刷永磁電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體、 位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。 其定 子繞組一般制成多相 （三相、四相、五相不等），轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù) （2p=2,4,

3、） 組成。圖1所示為三相兩極直流無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)， I電機(jī)本懷 I i電子開關(guān) I 圖1三相兩極直流無刷電機(jī)組成 三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件聯(lián)結(jié)，A、B、C相繞組分別 與功率開關(guān)管 VI、V2、V3相接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)結(jié)。 當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)， 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) 生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)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，去控制電子開關(guān)線 路，從而使定子各項(xiàng)繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(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)械換向器的換向作用。 圖2為

4、三相直流無刷電動(dòng)機(jī)半控橋電路原理圖。此處采用光電器件作為位置傳感器， 以三只功率晶體管 VI、V2和V3構(gòu)成功率邏輯單元。 圖2三相直流無刷電動(dòng)機(jī) 三只光電器件 VP1、VP2和VP3的安裝位置各相差 120度，均勻分布在電動(dòng)機(jī)一端。 借助安裝在電動(dòng)機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板的作用，使從光源射來的光線一次照射在各個(gè)光電器件 上，并依照某一光電器件是否被照射到光線來判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置。 圖3開關(guān)順序及定子磁場旋轉(zhuǎn)示意圖 圖2所示的轉(zhuǎn)子位置和圖 3 a）所示的位置相對應(yīng)。由于此時(shí)廣電器件VP1被光照射， 從而使功率晶體V1呈導(dǎo)通狀態(tài)，電流流入繞組A-A該繞組電流同轉(zhuǎn)子磁極作用后所產(chǎn)生 的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子的磁極按

5、圖3中箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖3 b）所示的位置時(shí)，直接 裝在轉(zhuǎn)子軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板亦跟著同步轉(zhuǎn)動(dòng)，并遮住VP1而使VP2受光照射，從而使晶體 管V1截至，晶體管V2導(dǎo)通，電流從繞組 A-A斷開而流入繞組 B-B使得轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)朝 箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖3 c）所示的位置時(shí)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)遮光板已經(jīng)遮住VP2，使 VP3被光照射，導(dǎo)致晶體管 V2截至、晶體管 V3導(dǎo)通，因而電流流入繞組 C-C,于是驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)朝順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)并回到圖3 a）的位置。 這樣，隨著位置傳感器轉(zhuǎn)子扇形片的轉(zhuǎn)動(dòng)，定子繞組在位置傳感器VP1、VP2、VP3的 控制下，便一相一相地依次饋電，實(shí)現(xiàn)了各相繞組電流

6、的換相。在換相過程中，定子各相繞 組在工作氣隙內(nèi)所形成的旋轉(zhuǎn)磁場是跳躍式的。這種旋轉(zhuǎn)磁場在360度電角度范圍內(nèi)有三 種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)120度電角度。各相繞組電流與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場的相互關(guān)系如 圖3所示。圖3a）為第一種狀態(tài)，F(xiàn)a為繞組A-A通電后所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢。顯然，繞組電流 與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)過120度電角度后，便進(jìn)入第二狀 態(tài)，這時(shí)繞組 A-A斷電，而B-B隨之通電，即定子繞組所產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)過了120度，如圖 3 b ）所示，電動(dòng)機(jī)定子繼續(xù)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；再轉(zhuǎn) 120度電角度，便進(jìn)入第三狀態(tài)，這 時(shí)繞組B-B斷電，C-C通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場又轉(zhuǎn)過

7、了120度電角度，如圖3 c）所 示；它繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過120度電角度后就恢復(fù)到初始狀態(tài)。圖4示出了各相繞組的導(dǎo)通順序的示意圖。 / 亠:t B-B f C-C $ ;* 01203 40$60或?qū)?0 圖4各相繞組的導(dǎo)通示意圖 位置傳感器 位置傳感器在直流無刷電動(dòng)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，然后去控制定子繞組換相。位 置傳感器種類較多， 且各具特點(diǎn)。在直流無刷電動(dòng)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。 電磁式位置傳感器在直流無刷電動(dòng)機(jī)中，用得較多的

8、是開口變壓器。 用于三相直流無刷 電動(dòng)機(jī)的開口變壓器由定子和跟蹤轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子一般有六個(gè)極， 它們之間的間隔分 別為60度，其中三個(gè)極上繞一次繞組，并相互串聯(lián)后通以高頻電源，另外三個(gè)極分別繞上 二次繞組 WA、WB、WC。它們之間分別相隔 120度。跟蹤轉(zhuǎn)子是一個(gè)用非導(dǎo)磁材料做成 的圓柱體，并在它上面鑲一塊120度的扇形導(dǎo)磁材料。在安裝時(shí)將它與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)， 其位置對應(yīng)于某一磁極。一次繞組所產(chǎn)生的高頻磁通通過跟蹤轉(zhuǎn)子上的到此材料耦合到二次 繞組上，故在二次繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而另外兩相二次繞組由于無耦合回路同一次繞組相 聯(lián)，其感應(yīng)電壓基本為零。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，扇形片也跟著旋轉(zhuǎn)，使

9、之離開當(dāng)前耦合 一次繞組而向下一個(gè)一次繞組靠近。就這樣，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)， 在開口變壓器二次繞組 上分別感應(yīng)出電壓。扇形導(dǎo)磁片的角度一般略大于120度電角度，常采用 130度電角度左 右。在三相全控電路中，為了換相譯碼器的需要，扇形導(dǎo)磁片的角度為180度電角度。同 時(shí)，扇形導(dǎo)磁片的個(gè)數(shù)應(yīng)同直流無刷電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)相等。 接近開關(guān)式位置傳感器主要由諧振電路及扇形金屬轉(zhuǎn)子兩部分組成，當(dāng)扇形金屬轉(zhuǎn)子接 近震 蕩回路電感L時(shí)，使該電路的 Q值下降，導(dǎo)致電路正反饋不足而停振，故輸出為零。 扇形金屬轉(zhuǎn)子離開電感元件 L時(shí)，電路的Q值開始上升，電路又重新起振，輸出高頻調(diào)制 信號，經(jīng)二極管檢波后，取出有用控制

10、信號，去控制邏輯開關(guān)電路， 以保證電動(dòng)機(jī)正確換向。 光電式位置傳感器前面已經(jīng)講過，是利用光電效應(yīng)制成的， 由跟隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn) 的遮光板和固定不動(dòng)的光源及光電管等部件組成。 磁敏式位置傳感器是指它的某些電參數(shù)按一定規(guī)律隨周圍磁場變化的半導(dǎo)體敏感元件。 其基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。常見的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電 阻器及磁敏二極管等多種。 研究結(jié)果表明，在半導(dǎo)體薄片上產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢 E可用下式表示: d薄片厚度(m ); p材料電阻率(Q *s); *s) u材料遷移率( 若在上式中各常數(shù)用 KH表示，則有 ); E=KHIHB 霍爾元件產(chǎn)生的電動(dòng)勢很低，直接應(yīng)用很不方

11、便， 實(shí)際應(yīng)用時(shí)采用霍爾集成電路?；魻?元件輸出電壓的極性隨磁場方向的變化而變化，直流無刷電動(dòng)機(jī)的位置傳感器選用開關(guān)型霍 爾集成電路。 磁阻效應(yīng)是指元件的電阻值隨磁感應(yīng)強(qiáng)度而變化，根據(jù)磁阻效應(yīng)制成的傳感器叫磁阻電 阻。 三相直流無刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 要十分精確地分析直流無刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，是很困難的。一般工程應(yīng)用中均作如下 假定： (1) 電動(dòng)機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度沿氣隙按正弦分布。 (2) 繞組通電時(shí)，該電流所產(chǎn)生的磁通對氣隙所產(chǎn)生的影響忽略不計(jì)。 (3) 控制電路在開關(guān)狀態(tài)下工作，功率晶體管壓降為恒值。 (4) 各繞組對稱，其對應(yīng)的電路完全一致，相應(yīng)的電氣時(shí)間常數(shù)忽略不計(jì)。 (5) 位置傳感

12、器等控制電路的功耗忽略不計(jì)。 由于假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度在電動(dòng)機(jī)氣隙中是按正弦規(guī)律分布的，即 B=BMsin 0 。這樣，如果定子某一相繞組中通一持續(xù)的直流電流，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為 TM=ZDLBMrlsin 0 式中，ZD 每相繞組的有效導(dǎo)體數(shù)； L 繞組中導(dǎo)線的有效長度，即磁鋼長度； r電動(dòng)機(jī)中氣隙半徑； I 繞組相電流。 就是說某一相通以不變的直流后，它和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也將隨轉(zhuǎn)子位置的不 同而按正弦規(guī)律變化，如圖 5所示。 圖5在恒定電流下的單相轉(zhuǎn)矩 它對外負(fù)載講，所得的電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩為零。但在直流無刷電動(dòng)機(jī)三相半控電路的工 作情況下，每相繞組中通過1/3周期的矩形波電流

13、。 該電流和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也 只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線上相當(dāng)于1/3周期的一段，且這一段曲線與繞組開始通電時(shí)的轉(zhuǎn)子相對位 置有關(guān)。顯然在圖6a所示的瞬間導(dǎo)通晶體管，則可產(chǎn)生最大的平均轉(zhuǎn)矩。因?yàn)樵谶@種情況 下，繞組通電120度的時(shí)間里，載流導(dǎo)體正好處在比較強(qiáng)的氣隙磁場中。所以它所產(chǎn)生的 轉(zhuǎn)動(dòng)脈動(dòng)最小，平均值較大。習(xí)慣上把這一點(diǎn)選作晶體管開始導(dǎo)通的基準(zhǔn)點(diǎn)，定為。在=0 度的情況下，電動(dòng)機(jī)三相繞組輪流通電時(shí)所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩如圖6b所示。 圖6三相直流無刷電動(dòng)機(jī)半空橋轉(zhuǎn)矩 如若晶體管的導(dǎo)通時(shí)間提前或滯后，則均將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)值增加，平均值減小。當(dāng) =30度時(shí)，電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩過零點(diǎn)，這就是說，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

14、到某幾個(gè)位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生 的轉(zhuǎn)矩為零，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生死點(diǎn)。當(dāng) 30度后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值將出現(xiàn)負(fù)值， 則總輸出轉(zhuǎn)矩的平均值更小。因此，在三相半控的情況下，特別是在起動(dòng)時(shí)，不宜大于30 度，而在直流無刷電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，總是盡力把 角調(diào)整到0度，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn) 矩最大。當(dāng)=0度時(shí)，可以求得輸出轉(zhuǎn)矩的平均值 sin 0,827Tm 電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)后，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場就要切割定子繞組，在各相 繞組上感生出電動(dòng)勢，當(dāng)其轉(zhuǎn)速n不變時(shí)，該電動(dòng)勢波形也是正弦波，相位同轉(zhuǎn)矩相位一 致。在本電路中，每相繞組在一個(gè)周期中只通電，因此僅在這 期間對外加電壓起作用。 以對外加電壓而言，感生電

15、動(dòng)勢波形如圖7所示。 * 1 EW丿 廠 / f 八 0, 8 f Z X / / X / Y V 1 y U. 0. 2 A 八 八 八 / / / / KT 轉(zhuǎn)矩系數(shù)； R電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻（Q）o 在三相半控電路中，其轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)在TM到TM/2 之間，這是直流無刷電動(dòng)機(jī)不利的 一面。 三相直流無刷電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用三相半控電路： 常見的三相半控電路如圖8所示，圖中LA、LB、LC為電動(dòng)機(jī)定子 A、B、C三相繞組, VF1、VF2、VF3為三只MOSFET功率管，主要起開關(guān)作用。 H1、H2、H3為來自轉(zhuǎn)子位 置傳感器的信號。如前所述，在三相半控電路中， 要求位置傳感器的輸出信號 1/3周期為高 電平

16、，2/3周期為低電平，并要求各傳感器信號之間的相位也是1/3周期。 圖8三相半控橋電路 和一般電動(dòng)機(jī)一樣， 在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，由于其轉(zhuǎn)速很低，故轉(zhuǎn)子磁通切割定子繞組所產(chǎn) 生的反電動(dòng)勢很小，因而可能產(chǎn)生過大電流I。為此，通常需要附加限流電路，圖9為常見 的一種，圖中的電壓比較器，主要用來限制主回路電流，當(dāng)通過電動(dòng)機(jī)繞組的電流I在反鎖 電阻Rf上的壓降IRf大于某給定電壓 U0時(shí)，比較器輸出低電平，同時(shí)關(guān)斷了VF1、VF2、 VF3三只功率場效應(yīng)晶體管，即切斷了主電路。當(dāng)IRfU0時(shí)，比較器不起任何作用。當(dāng) IRf U0時(shí)，比較器輸出高電平， 這時(shí)它不起任何作用。IO=UO/Rf 就是所要限制的電流

17、最 大值，其大小視具體要求而定。一般取額定電流的2倍左右。 圖9起動(dòng)電流的限制 三相Y聯(lián)結(jié)電路 三相半控電路結(jié)構(gòu)簡單， 但電動(dòng)機(jī)本體的利用率很低， 每個(gè)繞組只通電1/3周期，沒有 得到充分的利用，而且在運(yùn)行中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。在要求較高的場合，一般均采用如圖10所 示的三相全控電路。三相全控電路有兩兩換相和三三換相兩種方式 圖10三相全控電路 在該電路中，電動(dòng)機(jī)的三相繞組為 Y聯(lián)結(jié)。如采用兩兩通電方式，當(dāng)電流從功率管 VF1 和VF2導(dǎo)通時(shí)，電流從 VF1流入A相繞組，再從 C相繞組經(jīng)VF2流回到電源。如果認(rèn)定 流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，那么從繞組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)，他們合成的轉(zhuǎn)矩大小 為，方

18、向在Ta和-Tc角平分線上。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過60度后，由VF1VF2通電換成VF2VF3 通電。這時(shí)，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(shí)合成的 轉(zhuǎn)矩大小同樣為 。但合成轉(zhuǎn)矩T的方向轉(zhuǎn)過了 60度電角度。而后每次換相一個(gè)功率管， 合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過60度電角度。所以，采用三相Y聯(lián)結(jié)全控電路兩兩換相方式， 合成轉(zhuǎn)矩增加了 倍。每隔60度電角度換相一次，每個(gè)功率管通電120度，每個(gè)繞組通電 240度，其中正向通電和反向通電各120度。其輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖11所示。從圖中可以看 出，三相全控室的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比三相半控時(shí)小，從0.87Tm到Tm。 60120180 240

19、 300360 圖11全控橋輸出波形圖 三三通電方式，這種通電的順序?yàn)?VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、 VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3。當(dāng) VF6VF1VF2 導(dǎo)通時(shí)，電流從 VF1管流入A相繞組，經(jīng)B和C相繞組分別從 VF6和VF2流出。經(jīng)過60度電角度后，換 相到VF1VF2VF3通電，這時(shí)電流分別從 VF1和VF3流入，經(jīng)A和B相繞組再流入 C相繞 組，經(jīng)VF2流出。在這種通電方式里，每瞬間均有三個(gè)功率管通電。每隔60度換相一次， 每次有一個(gè)功率管換相，每個(gè)功率管通電180度。合成轉(zhuǎn)矩為1.5Ta. 三相聯(lián)結(jié)電

20、路也可以分為兩兩通電和三三通電兩種控制方式。 兩兩通電方式的通電順序是 VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1、 VF1VF2，當(dāng)VF1VF2導(dǎo)通時(shí)，電流從 VF1流入，分別通過 A相繞組和B、C兩相繞組，再 從VF2流出。這時(shí)繞組的聯(lián)結(jié)是 B、C兩相繞組串聯(lián)后再通 A相繞組并聯(lián)，如果假定流過 A相繞組的電流為I，則流過B、C相繞組的電流分別為1/2。這里的合成轉(zhuǎn)矩為 A相轉(zhuǎn)矩 的1.5倍。 三三通電方式的順序是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、 VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3

21、，當(dāng) VF6VF1VF2 通電時(shí)，電流從 VF1 管流入， 同時(shí)經(jīng)A和B相繞組，再分別從 VF6和VF2管流出，C相繞組則沒有電流通過，這時(shí)相當(dāng) 于A、B兩相繞組并聯(lián)。這時(shí)相當(dāng)于A、B兩繞組并聯(lián)，合成轉(zhuǎn)矩為A相轉(zhuǎn)矩的倍。 直流無刷電動(dòng)機(jī)的微機(jī)控制 8751 的 P1 口同 7406 H2、 圖12示出采用8751單片機(jī)來控制直流無刷電動(dòng)機(jī)的原理框圖。 反相器聯(lián)結(jié)控制直流無刷電動(dòng)機(jī)的換相，P2 口用于測量來自于位置傳感器的信號H1、 H3，P0 口外接一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 P1 INTEL PO i 7406 5 衛(wèi)LI B C 圖12直流無刷電動(dòng)機(jī)計(jì)算機(jī)控制原理圖 換相的控制 根據(jù)定子繞組的換相方

22、式，首先找出三個(gè)轉(zhuǎn)子磁鋼位置傳感器信號 態(tài)，與6只功率管之間的關(guān)系， 以表格形式放在單片機(jī)的 H2、H3的狀態(tài)，可以找到相對應(yīng)的導(dǎo)通的功率管，并通過 電動(dòng)機(jī)的換相。 H1、H2、H3 EEPROM 中。8751根據(jù)來自 P1 口送出，即可實(shí)現(xiàn)直流無刷 的狀 H1、 起動(dòng)電流的限制 主回路中串入電阻 R13，因此Uf=R13*IM ，其大小正比于電動(dòng)機(jī)的電流IM。而Uf和 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓 U0分別送到LM324運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端，一但反饋電壓大于 Uf大于來自數(shù)模轉(zhuǎn)換的給定信號U0,則LM324輸出低電平，使主回路中3只功率管VF4、 VF6、VF2不能導(dǎo)通，從而截?cái)嘀绷鳠o刷電動(dòng)機(jī)定子

23、繞組的所有電流通路，迫使電動(dòng)機(jī)電流 下降，一旦電流下降到使 Uf小于U0 ,則LM324輸出回到高電平。主回路又具備導(dǎo)通能力， 起到了限制電流的作用。 轉(zhuǎn)速的控制 在直流無刷電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的過程中，只要通過控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U0,就可 控制直流無刷電動(dòng)機(jī)的電流，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的電流。即8751單片機(jī)通過傳感器信號的周 期，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并把它同給定轉(zhuǎn)速比較，如高于給定轉(zhuǎn)速，則減小P2 口的輸出 數(shù)值，降低電動(dòng)機(jī)電流，達(dá)到降低其轉(zhuǎn)速的目的。反之，則增大P2 口的輸出數(shù)值，進(jìn)而增 大電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 PWM控制的實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)速控制也可以通過 PWM方式來實(shí)現(xiàn)。圖13和圖14為PWM控制實(shí)現(xiàn)直

24、流無刷電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。 圖13 PWM控制原理圖 P 2 P Q!nnTTnT_ 卜*L- /?&/? K4 機(jī) 動(dòng) 電 J 1 * TTLnu i 1 1 /尺 ?AHU 3 圖14 PWM控制原理圖 直流無刷電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，通過改變換相次序來改變其轉(zhuǎn)動(dòng)方向。具體做法只需要更 換一下?lián)Q相控制表。 變結(jié)構(gòu)控制的實(shí)現(xiàn) 當(dāng)直流無刷電動(dòng)機(jī)處于起動(dòng)狀態(tài)或在調(diào)整過程中，采用直流無刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行模式，以 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)相應(yīng)的快速性， 一旦電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速到了給定值附近，馬上把它轉(zhuǎn)入同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 模式，以保證其穩(wěn)速精度。這時(shí)計(jì)算機(jī)只需要按一定頻率控制電動(dòng)機(jī)的換相，與此同時(shí)，計(jì) 算機(jī)在通過位置傳感器的信號周期，

25、來測量其轉(zhuǎn)速大小，并判斷它是否跌出同步。 一旦失布， 則馬上轉(zhuǎn)到直流無刷電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，并重新將其拉入同步。 0 代流無刷電動(dòng) 機(jī)運(yùn)行模式 1. 給定轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速檢測 同歩電動(dòng)機(jī) 運(yùn)行模式 轉(zhuǎn)速 _ 轉(zhuǎn)速菖町 1 圖15直流無刷電動(dòng)機(jī)的變結(jié)構(gòu)控制 一、無刷電動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理 三相永磁無刷電動(dòng)機(jī)和一般的永磁有刷電動(dòng)機(jī)相比，在結(jié)構(gòu)上有很多相近或相似之處。 用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷電動(dòng)機(jī)的定子磁極，用具有三相繞組的定子取代電樞， 用逆變 器和轉(zhuǎn)子位置檢測器組成的電子換相器取代有刷電機(jī)的機(jī)械換相器和電刷，就得到了三相永 磁無刷電動(dòng)機(jī)。 1.無刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 無刷電動(dòng)機(jī)屬于三相永磁同步電機(jī)的范疇，

26、永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場來自電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的 永久磁鐵。在這里，永久磁鐵的特性，在很大程度上決定電動(dòng)機(jī)的特性。目前采用的永磁材 料主要有鐵淦氧、鋁鎳鈷、釹鐵硼、等根據(jù)幾種的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度成線性關(guān)系這一 特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛的就是釹鐵硼。它的線性關(guān)系范圍最大，被稱為第三代稀土永磁合金。 在轉(zhuǎn)子上安置永磁鐵的方式有兩種：一種是將成型的永久磁鐵裝在轉(zhuǎn)子表面，即所謂外裝式； 另一種是將成型的永久磁鐵埋入轉(zhuǎn)子里面，即所謂內(nèi)裝式。根據(jù)永久磁鐵安裝方法不同，永 久磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種。扇形磁鐵構(gòu)造的轉(zhuǎn)子具有電樞電感小、齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩 小的優(yōu)點(diǎn)，但易受電樞反應(yīng)的影響。 且由于磁通不可能集中、 氣隙磁密度

27、低，電極呈現(xiàn)凸的 特性。矩形磁鐵構(gòu)造的轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)凸極特性，電電感大、齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩大，但磁通可集中，形 成高磁通密度，故適于大容量電機(jī)，由于電動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)凸極特性，可以利用磁阻轉(zhuǎn)矩，此外， 這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永久磁鐵，不易飛出，故可作高速電機(jī)使用。根據(jù)確定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所對應(yīng) 的每相勵(lì)磁通勢合布不同，三相永磁同步電機(jī)可分為兩種類型：正弦波形和方波形永磁同步 電機(jī)，前者每相勵(lì)磁磁通勢分布是正弦波形，后者每相則是方波狀， 根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)和永磁體 形狀的不同而不同，對于徑向勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，永磁體直接面向均勻氣隙如果采用稀大材料，由于 采用非均勻氣隙或非均勻磁場化方向長度的永磁體的徑向勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，氣隙磁場波形可以實(shí)現(xiàn) 正弦分布

28、。應(yīng)該指出稀士永磁方波形電機(jī)屬于永磁無刷直流電機(jī)的范疇，而稀土永磁體正 弦波形電動(dòng)機(jī)則一般作為三相交流永磁同步伺服電機(jī)使用。但這不是絕對的，究竟是三相永 磁直流無刷電動(dòng)機(jī)還是三相永磁交流同步電機(jī)，主要決定于電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的方式，取決 于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器的類型。 2. 三相永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器 永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)都屬于自控式變頻系統(tǒng)，就是說電動(dòng)機(jī)的換相狀態(tài)是由轉(zhuǎn)子 的位置決定的，電動(dòng)機(jī)的控制頻率是由轉(zhuǎn)子的運(yùn)行速度決定的，這就需要轉(zhuǎn)子的位置檢測器。 轉(zhuǎn)子的位置檢測器有多種，正弦波永磁同步電機(jī)一般采用旋轉(zhuǎn)變壓器式、絕對式光電脈沖編 碼器或增量式光電脈沖編碼器作為位置檢測器

29、。而在永磁直流無刷電動(dòng)機(jī) （方波電動(dòng)機(jī)）中， 一般采用簡易型的位置檢測器，該器件不能用來檢測轉(zhuǎn)子的精確位置，其檢測精度通常只有 60的電角度，其主要作用是為了滿足電動(dòng)機(jī)的換相要求。位置傳感器是直流無刷電動(dòng)機(jī)系 統(tǒng)組件部分之一，也是區(qū)別于直流有刷電機(jī)和直流無刷電動(dòng)機(jī)的主要標(biāo)志。其作用是檢測主 轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，為邏輯開關(guān)電路提供正確 的換相信息。以控制它們的導(dǎo)通和截止， 使電動(dòng)機(jī)電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按 次序換相。形成氣隙中步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)。位置傳感器的 種類很多，有電磁式、光電式、磁敏式等。它們各具特點(diǎn)，然而由于磁

30、敏式霍耳位置傳感器 具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、安裝靈活方便、易于機(jī)電一體化等優(yōu)點(diǎn)，故目前得到越來越廣泛的 應(yīng)用。當(dāng)磁場中的導(dǎo)體有電流通過時(shí)，其橫向不受到力的作用，同時(shí)還出現(xiàn)電壓，這個(gè)現(xiàn)象 后來被稱為霍耳效應(yīng)。 隨后人們又發(fā)現(xiàn)，不僅是導(dǎo)體而且半導(dǎo)體中也存在霍耳效應(yīng)。并且霍 耳電動(dòng)勢更明顯，這是由于半導(dǎo)體有比導(dǎo)體更大的霍耳系數(shù)的緣故。 霍耳傳感器按功能和應(yīng)用可分為線性型和開關(guān)型兩種 （1）線性型線性型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍耳元件、差分放大器、輸出級等部分組 成，輸入為變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度得到與磁場強(qiáng)度成線性關(guān)系的輸出電壓，可用于磁場測量、 電 流測量、電壓測量等。（2）開關(guān)型 開關(guān)型傳感器是由電壓調(diào)整器

31、、霍耳元件、差分放大 器、施密特觸發(fā)器和輸出級等部分組成。輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為開關(guān)信號。直流無刷電 動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測器屬于開關(guān)型的傳感器。直流無刷電機(jī)的霍耳位置傳感器和電機(jī)的本 體一樣，也是由靜止部分和運(yùn)動(dòng)部分組成，即位置傳感器定子和傳感器轉(zhuǎn)子。其轉(zhuǎn)子與電機(jī) 主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電動(dòng)機(jī)主轉(zhuǎn)子的位置，即可以直接利用電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，也可以 在轉(zhuǎn)軸其它位置上另外安裝永磁轉(zhuǎn)子。定子由若干個(gè)霍耳元件，按一定的間隔，等距離的安 裝在傳感器定子上，以檢測電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。位置傳感器的基本功能是在電動(dòng)機(jī)的每一 個(gè)電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。位置傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極（N S 幾極）的

32、轉(zhuǎn)角，也就是說每轉(zhuǎn)過360電角度，就要產(chǎn)生出與電動(dòng)機(jī)繞組邏輯分配狀態(tài)相對 應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。以完成電動(dòng)的一個(gè)換流全過程，如果轉(zhuǎn)子的極對數(shù)越多，則在360機(jī)械 角內(nèi)完成該換流全過程的次數(shù)也就越多。 霍耳位置傳感器必須滿足以下兩個(gè)條件： （1）、位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)是不重復(fù)的，每一個(gè)開關(guān)狀態(tài)所占 的電角度相等。（2）、位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)數(shù)應(yīng)和電動(dòng)機(jī)的工作 狀態(tài)數(shù)相對應(yīng)。位置傳感器輸出的開關(guān)狀態(tài)能滿足以上條件，那么總可以通過一定的邏輯 變換將位置傳感器的開關(guān)狀態(tài)與電動(dòng)機(jī)的換相狀態(tài)對應(yīng)起來，進(jìn)而完成換相。對于三相無刷 直流電動(dòng)機(jī)，其位置傳感器的霍耳元件的數(shù)量是3

33、，安裝位置應(yīng)當(dāng)間隔120電角度，其輸出 信號是Ha Hb Hco 3. 三相直流無刷電動(dòng)機(jī)的換相原理 三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號Ha、Hb He在每360電角度內(nèi)給出 了 6個(gè)代碼，按其順序排列，6個(gè)代碼是101、100、110、010、011、001，其波形見圖一。 當(dāng)然這一順序與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)，如果轉(zhuǎn)向反了，代碼順序也就倒過來。 三相永磁無 刷電動(dòng)機(jī)的電子換相器主回路，也就是由6個(gè)功率開關(guān)元件組成的三相H形橋式逆變器。請 見下圖二：圖三是三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的定子繞組的結(jié)構(gòu)示意圖。其中線A-X表示與 A相繞組軸線相交的位置；線 B-Y表示與B相繞組軸線相交的位置；線 C-Z表示與C相繞組 軸線相交的位置；顯然由A-X、B-Y、C-Z交叉形成了 6個(gè)60的扇區(qū)，我們也把此圖稱作“定 子空間的扇區(qū)圖”?？梢酝ㄟ^兩種不同的途徑來分析無刷電動(dòng)機(jī)的換相過程，一是利用剛