無刷直流電機(jī)原理

1、無刷直流電機(jī)原理無刷直流電機(jī)原理相關(guān)理論無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型及運(yùn)行特性無刷直流電機(jī)工作原理無刷直流電機(jī)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(gè)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(jìn)入，并使四指指向電流的方向，這時(shí)拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的方向。2、右手定則判斷磁場(chǎng)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(jī)數(shù)學(xué)模型及運(yùn)行特性二、無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型及運(yùn)行特性假定電機(jī)定子三相完全對(duì)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(chǎng)為方波，三相繞組反電動(dòng)勢(shì)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(jī)數(shù)學(xué)模型如下。e為反電動(dòng)勢(shì)直流無刷電動(dòng)機(jī)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(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的。定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；T為負(fù)載；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Pn為磁極數(shù)；可以看出，直流無刷電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程與普通的直流電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)矩。UIREU運(yùn)行特性電動(dòng)勢(shì)平衡方程：U是電源電壓；E為反電動(dòng)勢(shì)；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(dòng)特性：電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)電磁矩比較大。電機(jī)可以很快啟動(dòng)，并能帶動(dòng)負(fù)載啟動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)子加速，反電動(dòng)勢(shì)E增加，電樞電流減小，轉(zhuǎn)矩降低，加速度減小，最后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。工作特性：無刷直流電機(jī)工作特性主要包括如下關(guān)系：電樞電流和電機(jī)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(shí)，電機(jī)效率為0.隨著輸出轉(zhuǎn)矩增加，電機(jī)效率增加。當(dāng)電機(jī)的可變損耗等于不變損耗時(shí)，電機(jī)效率達(dá)到最大，隨后開始下降。RUUIn機(jī)械特性：機(jī)械特性是指外加電壓恒定時(shí)，電機(jī)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(jī)在不同的供電電壓驅(qū)動(dòng)下的機(jī)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(jī)具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過調(diào)節(jié)電壓實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。)(RnKeRUUKmTe三、無刷直流電機(jī)工作原理三、無刷直流電機(jī)工作原理無刷直流電機(jī)要轉(zhuǎn)動(dòng)，須先根據(jù)位置傳感器的輸出信號(hào)確認(rèn)轉(zhuǎn)子位置。然后通過電子換相線路去驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。直流電源電子換相電路電機(jī)本體轉(zhuǎn)子位置傳感器 一般無刷直流電機(jī)的具體控制框圖如圖所示。定子三相繞組是相差120對(duì)稱分布的。圖中三相繞組是星型連接的。

5、其中6個(gè)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(gè)開關(guān)管的開關(guān)順序，來調(diào)整電機(jī)線圈的通電順序，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換相操作使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來。圖為繞組星型連接的具體接線圖。電機(jī)引出三根線A、B、C。當(dāng)它們之間兩兩通電時(shí)，有6種情況，分別是AB 、AC、BC、BA、CA、和CB。圖示說明線圈通電時(shí)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向（短箭頭表示）和兩個(gè)線圈合成磁感應(yīng)強(qiáng)度方向（長(zhǎng)箭頭表示）。如圖，當(dāng)AB相通電，中間轉(zhuǎn)子（未畫出）會(huì)盡量往長(zhǎng)箭頭方向?qū)ζ?。?dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到長(zhǎng)箭頭位置時(shí)，外線圈換相，改成AC相通電。這時(shí)轉(zhuǎn)子會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)并往長(zhǎng)箭頭處對(duì)其。以后以此類推。上圖講的是原理，實(shí)際操作的時(shí)候不

6、會(huì)讓轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)方向?qū)R，而是定子主磁場(chǎng)方向一直超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)一定角度，這樣才會(huì)使轉(zhuǎn)矩較大。一般利用霍爾傳感器檢測(cè)位置的話，會(huì)60換相一次（磁場(chǎng)跳躍60）。換相后定子主磁場(chǎng)方向超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)120，轉(zhuǎn)子會(huì)向與定子磁場(chǎng)方向?qū)ζ涞姆较蛐D(zhuǎn)。從相距120到相距60，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)刻。然后繞組換相，定子主磁場(chǎng)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(shí)現(xiàn)電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。四、無刷直流電機(jī)控制方法四、無刷直流電機(jī)控制方法1、控制方法分類通常根據(jù)直流無刷電機(jī)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(duì)直流無刷電機(jī)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(jī)的半橋型控制結(jié)構(gòu)如圖所示，電機(jī)的三相繞組直接與三只開關(guān)管相連，主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，三相半橋電路雖然簡(jiǎn)單，但電動(dòng)機(jī)本體的利用率很低，每個(gè)繞組只通電13周期時(shí)間，另外23周期處于斷開狀態(tài)，沒有得到充分利用。在運(yùn)行過程中其轉(zhuǎn)矩從T2變化到T(T=Ta)，波動(dòng)較大，。而全橋型控制結(jié)構(gòu)，電路相對(duì)復(fù)雜，但是對(duì)電機(jī)根據(jù)電機(jī)繞組利用率較高，提高了電機(jī)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(dòng)機(jī)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(gè)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(gè)功率管，每一功率管導(dǎo)通120電角度，每個(gè)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(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比三相半控時(shí)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(shí)導(dǎo)通，每隔60換相一次，每個(gè)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(dòng)機(jī)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(duì)電機(jī)的控制效果也有所不同。根據(jù)每個(gè)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(gè)導(dǎo)通狀態(tài)控制器上、下橋臂的功率管全部進(jìn)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(gè)狀態(tài)區(qū)間內(nèi)只對(duì)上橋臂或者是只對(duì)下橋臂的一個(gè)功率管進(jìn)行PWM斬波控制。單斬方式又可以分為兩大類，一類是六個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)始終只對(duì)上橋臂或是只對(duì)下橋臂的功率管進(jìn)行PwM調(diào)制，在這種方式中有一個(gè)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(duì)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(gè)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(gè)導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)進(jìn)行PWM斬波控制，后半個(gè)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?shí)現(xiàn)比較容易，但是會(huì)造成上下橋臂功率管的損耗不同，而六個(gè)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(gè)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(shí)際系統(tǒng)中采用六只管子輪換導(dǎo)通的“單斬”方式控制對(duì)整個(gè)系統(tǒng)比較有利。3、正反轉(zhuǎn)控制直流無刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制與普通的電機(jī)不同，在直流無刷電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行的過程中，它的通電始終與電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)是分不開的，因此不能簡(jiǎn)單地通過改變定子繞組導(dǎo)通順序來改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。具體的電機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子位置信號(hào)以及定子繞組之間的換相關(guān)系如表所示。當(dāng)位置信號(hào)的上升沿產(chǎn)生中斷時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)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(cè)這三個(gè)口的電平狀態(tài)，就可以確定是電機(jī)的哪個(gè)位置傳感器的電平發(fā)生變化，從而確定出電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極現(xiàn)在所處的位置，然后按照