采用集成電路的無刷電機控制系統(tǒng)設計

SHANDONG 畢業(yè)設計說明書 采用集成電路的無刷電機控制系統(tǒng)設計 學 院：電氣與電子工程學院 專 業(yè)： 自動化 學生姓名： 李文瑞 學 號： 0812102395 指導教師： 張存山 2012 年 06 月 摘要 I 摘 要 無刷直流電動機是現(xiàn)代工業(yè)設備中重要的運動部件，保留了有刷直流電動 機寬闊而且平滑的調速性能，同時又克服了有刷直流電動機機械換向帶來的一 系列的缺點，在各個領域中得到廣泛應用。本論文闡述了無刷直流電動機的系 統(tǒng)構成和工作原理，分析了無刷直流電動機的數(shù)學模型、等效電路、傳遞函數(shù) 以及調速原理。采用轉速電流雙閉環(huán)控。與串勵或者并勵有刷直流電機驅動系 統(tǒng)相比，永磁無刷電機有著明顯的優(yōu)勢，功率密度大、體積小、效率高、結構 簡單牢固、易于維護等，且驅動系統(tǒng)運行和維護成本都比較低，因此，對于目 前電動汽車市場需求和已經(jīng)達到的科技狀況，開發(fā)出比較可行、運行良好，同 時能夠控制生產(chǎn)成本的電動使用汽車永磁無刷電機驅動系統(tǒng)，于電動汽車行業(yè) 的促進有著深刻的意義。本文首先論述了無刷直流電機的組成，工作原理和數(shù) 學模型，然后基于 MOTOROLA 公司的專用控制芯片 MC33035 進行了無刷電 機控制系統(tǒng)的硬件設計。主要有主電路和控制電路，其中包括轉子位置檢測電 路，電流檢測電路，驅動電路等。本設計擬用在電動汽車，作為電動汽車的調 速系統(tǒng)。 關鍵詞： 無刷電機；MC33035；PWM 控制 Abstract II ABSTRACT Brushless DC Motor(BLDC)is an important moving part of modern industry equipmentsBLDC retains the performance of broad and smoothspeed control，at the same time BLDC overcomes a series of disadvantagesbrought by the Brush DC Motor mechanical commentatorTherefore，BLDC is widely used in various fieldsIn this paper，the system composition and working principle of BLDC is expandedThe mathematical model，equivalent circuit and transfer function of BLDC is derivedThe speed control principle of BLDC is analyzedSpeed、current closedloop control and the method of pulse width modulation are used to drive BLDCThe series-excited or by brush dc motor drive system is compared, permanent brushless motor has obvious advantages, power densities, small size, high efficiency, simple structure, easy maintenance firm, and drive system operation and maintenance cost is low, therefore, based on the electric car market development needs and technical status , design and development and reliable, low cost of electric car permanent brushless motor drive system, for the development of electric vehicle industry has important practical significance. This paper first discusses of brushless dc motor composition, working principle and mathematical model, then based on the special control chip MOTOROLA company MC33035 brushless motor control system for the hardware design. The main circuit and control circuit, including the rotor position detection circuit, the electric current detection circuit, drive circuit. This design to be in the electric car, as electric vehicle control system. Key words：BLDC；MC33035；PWM control 目錄 III 目錄 摘 要. ABSTRACT II 目錄 .III 第一章第一章 緒論緒論 .1 1.1 課題選擇的背景及意義.1 1.2 電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀2 1.2.1 我國電動汽車的發(fā)展 .2 1.2.2 國際電動汽車的發(fā)展 .2 1.3 無刷電機在電動汽車中的應用3 1.3.1 鼠籠式交流異步電動機 3 1.3.2 永磁無刷直流電動機 3 1.3.3 開關磁阻電動機 .4 1.4 無刷電機發(fā)展現(xiàn)狀和控制研究現(xiàn)狀4 1.5 本人在畢業(yè)設計中完成的任務.6 第二章第二章 無刷直流電機工作原理無刷直流電機工作原理 8 2.1 無刷直流電動機的概述.8 2.2 無刷直流電動機本體.10 2.2.1 無刷電機的定子部分.10 2.2.2 電動機轉子.12 2.3 轉子位置檢測13 2.3.1 位置傳感器檢測法13 2.3.2 無位置傳感器檢測法.16 2.4 PWM 調制技術16 2.5 無刷直流電動機的運行特性19 2.5.1 機械特性.19 2.5.2 調節(jié)特性.20 2.5.3 工作特性.21 目錄 IV 2.6 數(shù)學模型21 第三章第三章 無刷電機的控制系統(tǒng)無刷電機的控制系統(tǒng)25 3.1 控制系統(tǒng)框圖.25 3.2 直流無刷電機控制系統(tǒng)的主電路設計.26 3.2.1 逆變電路.26 3.2.2 逆變開關元件選擇和計算.26 3.3 基于 MC33035 的無刷直流電動機調速系統(tǒng)28 3.3.1 MC33035 無刷直流電動機控制芯片 .28 3.3.2 電子測速器 MC33039.32 3.3.3 電流檢測電路33 3.3.4 過流保護電路34 3.3.5 反向器 4584.35 3.3.6 驅動電路設計 35 3.3.7 自舉電路原理. 37 結論結論 .38 參考文獻參考文獻.39 致謝聲明致謝聲明.40 第一章 緒論 - 1 - 第一章 緒論 1.1 課題選擇的背景及意義 環(huán)境污染和石油資源匱乏是目前世界汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展所面臨的兩大難 題。汽車排放的廢氣主要含有鉛化物二氧化碳、二氧化硫、碳氫化合物、氮氧 化合物等，這些有害物質對人類的身體健康帶來很大的威脅也嚴重污染了我們 生存的環(huán)境，特別是近來人們對于國務院同意發(fā)布新修訂的環(huán)境空氣質量標 準中關于 PM2.5 監(jiān)測指標的關注，而 PM2.5 產(chǎn)生的主要來源，是日常發(fā)電、 工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣排放等過程中經(jīng)過燃燒而排放的殘留物，大多含有重金屬 等有毒物質。城市 80的污染噪聲是由燃油汽車造成的。目前汽車消耗的能源 幾乎完全依賴于石油制品，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車保有量和年產(chǎn)量迅速增 加。 20 世紀 70 年代以來電動汽車的研究再度在全世界范圍內興起，世界各國 不惜投入大量的人力物力來研究和開發(fā)電動汽車。20 世紀 70 年代初，美國、 英國、法國、德國、意大利和日本都開始發(fā)展電動汽車，20 時 70 年代后期， 世界上許多國家的地區(qū)和公司，如澳大利亞、比利時、巴西、保加利亞、加拿 大、中國、丹麥、法國、德國、荷蘭、印度、意大利、日本、墨西哥、芬蘭、 瑞士、英國、美國和前蘇聯(lián)等都開始生產(chǎn)電動汽車，第一，因為新能源汽車的 使用清潔，首先，電動汽車的清潔能源使用效果（對于電能的利用率）在數(shù)字 上優(yōu)于燃油車輛，并且這種新能源車輛在運行中出現(xiàn)制動情況就不會再像內燃 汽車一樣繼續(xù)消耗能量，在制動方面能夠實現(xiàn)反饋制動，同時能夠給電動汽車 所使用的電池進行蓄電，這樣的制動方式和運行方式必然可以提高相應的能源 利用率。再次，電動汽車賴以使用的也是由地球儲藏極大的煤炭、天然氣、以 及現(xiàn)在很多國家都在使用的核能清潔能源水能、太陽能、風能等多種能源得來。 最后，電動汽車的能源補充也比較方便，白天用電高峰期的時候汽車一般都是 行駛狀態(tài)，等到夜晚的時候再進行充電這樣不僅避免了用電高峰期，而且還不 耽誤正常的使用，現(xiàn)在很多大中型城市都配備了室外的電動汽車充電樁，隨時 第一章 緒論 - 2 - 隨地可以充電，方便了消費者的使用，節(jié)省了能源。電動汽車另一個比較大的 特點就是其維護方便，結構簡單。與內燃機相比較運動部件減少，在很大程度 上減少了維修成本，而且電動汽車操作方便，維修簡單，節(jié)省開支。 1.2 電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 我國電動汽車的發(fā)展 電動汽車有純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池電動汽車三種類型。這 是由不同的驅動原理設計的。 我們國家對于電動汽車的研究還得追溯到二十世紀六七十年代，電動汽車 控制系統(tǒng)的相關科研的創(chuàng)建“九五”期間，這對于美國和日本等國家的研究時 間足足遲到了二十年。但是在最近的幾年的研究，由于我國相關能源計劃的 （863 計劃）的實施。使電動汽車的研究得以有序健康的發(fā)展，以至于近期以 來我們國家的新能源行業(yè)，特別是電動汽車得以迅速前進取得了長足的進步， 在研發(fā)過程中取得了很多的關鍵技術，而且我們在日常生活中也隨處可見由我 國自行生產(chǎn)和研發(fā)的電動汽車產(chǎn)品，在有些領域已經(jīng)大大縮小了與歐美國家電 動汽車產(chǎn)品研發(fā)的差距，甚至能達到相同的水準。 1.2.2 國際電動汽車的發(fā)展 目前世界汽車行業(yè)已經(jīng)進入了一個轉變時期，與此同時帶來的事電動汽車 的快速發(fā)展，各國都開始對電動汽車的研發(fā)加大了投入，從上一節(jié)的數(shù)據(jù)來看， 我國對電動車的發(fā)展可謂是不遺余力，電動汽車的發(fā)展不僅僅是節(jié)約了不可再 生資源的利用，另一方面，電動汽車的使用代替了很大一部分燃油汽車，對解 決很久以來困擾人類的新能源動力交通提供的很大的幫助。由于各個國家都意 識到了發(fā)展新能源汽車的必要性，都不遺余力的開始在技術層面加緊電動汽車 的發(fā)展。從而出臺了相應的電動汽車的發(fā)展策略以及相應的發(fā)展方向。美國政 府開始實行能源新型政策，重視新能源汽車特別是電動汽車的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)劃 到 2015 年在全美推行一百萬輛混合動力汽車。近年來各國開始重新制定燃油 排放稅制改革，加大了燃油汽車的收稅力度，日本從 09 年月日開始實行 第一章 緒論 - 3 - 新的燃油稅制，同一時間英國也開始執(zhí)行新的汽車消費稅，同時對新能源汽車 的使用給予一定的鼓勵和補貼，從一個側面反映出對新能源汽車的重視。為了 加大產(chǎn)業(yè)發(fā)展加快電動汽車市場的認可各國政府提供信貸支持等措施。 1.3 無刷電機在電動汽車中的應用 電動汽車的核心部分還是它的驅動電機，利用驅動電機進行能量的轉化， 通過電機能量轉化將電能變?yōu)闄C械能，利用汽車電機外圍的各種機械裝置將 傳動，促使車輪轉動 。到現(xiàn)在為止，使用比較多的還是 直流串激電動機， 因為這種電機的機械特性很軟， 單相串勵電動機屬于單相交流異步電動機， 是交直流兩用的，所以又稱為交直流兩用串勵電動機。由于它轉速高、體積 小、啟動轉矩大、轉速可調，既可在直流電源上使用，又可在單相交流電源 上使用，因而在電動工具中得到廣泛的應用。但是由于存在 電刷換向出 現(xiàn)火花，重量功率比不大、效率較低， 保養(yǎng)成本高 ，電機技術可控制技術 日新月異的今天一定會 被直流無刷電動機（ BCDM）、開關磁阻電動機 （SRM）取代。 1.3.1 鼠籠式交流異步電動機 三相鼠籠式交流異步電動機是目前應用得最廣泛的電動機，轉子上不需電 刷，結構簡單，其生產(chǎn)技術比較成熟，已經(jīng)能夠大批量的生產(chǎn)。 它主要由定子和轉子兩部分組成，定、轉子之間是氣隙。 轉子繞組是用 作產(chǎn)生感應電勢、并產(chǎn)生電磁轉矩的，它分鼠籠式和繞線式兩種。 鼠籠式轉 子繞組是自己短路的繞組，在轉子在每個槽中放有一根導體（材料為銅或鋁）， 導體比鐵芯長，在鐵芯兩端用兩個端環(huán)將導體短接，形成短路繞組。若將鐵芯 去掉，剩下的繞組形狀似松鼠籠子，故稱鼠籠式繞組。 1.3.2 永磁無刷直流電動機 永磁無刷直流電動機是由一塊或多塊永磁體建立磁場的直流電動機，其性 能與恒定勵磁電流的他勵直流電動機相似，可以由改變電樞電壓來方便地調速。 與他勵式直流電動機相比，具有體積小、效率高、結構簡單、用銅量少等優(yōu)點， 是小功率直流電動機的主要類型。 第一章 緒論 - 4 - 永磁無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化 產(chǎn)品。 1. 電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相 似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電 動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是： 接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接 受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù) 轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示 等等。 1.3.3 開關磁阻電動機 開關磁阻電動機（Switched Reluctance Drive ：SRD）是繼變頻調速系統(tǒng)、 無刷直流電動機調速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的最新一代無級調速系統(tǒng)，是集現(xiàn)代微 電子技術、數(shù)字技術、電力電子技術、紅外光電技術及現(xiàn)代電磁理論、設計和 制作技術為一體的光、機、電一體化高新技術。它具有調速系統(tǒng)兼具直流、交 流兩類調速系統(tǒng)的優(yōu)點。 英、美等經(jīng)濟發(fā)達國家對開關磁阻電動機調速系統(tǒng) 的研究起步較早，并已取得顯著效果，產(chǎn)品功率等級從數(shù)瓦直到數(shù)百千瓦，廣 泛應用于家用電器、航空、航天、電子、機械及電動車輛等領域。 1.4 無刷電機發(fā)展現(xiàn)狀和控制研究現(xiàn)狀 目前世界上對無刷電機的定義可以兩種：其一是認為梯形波/方波無刷直流 電機都是無刷直流電機。另一種則認為只有梯形波/方波無刷直流電機才可被稱 為無刷直流帶電機，正弦波無刷直流電機則被稱為永磁同步電機（PMSM）。 電動機從分類來講有兩類，分別是交流電機和直流電機。其中直流電動機 有著一系列的特性而被廣泛運用，包括其比較好的起動性能，還有調速特性。 就這些特點致使直流電機應用于電力機車以及其他等等常常需要進行調整速度 的機器上。直流電動機的換向有一個顯著的特點就是利用換向器進行變換電流。 由于電機在使用過程中不免進行長期的轉向換刷這就導致電刷的損耗非常嚴重， 必須長期不定期的進行維護和更換電刷。電機的換向頻繁會產(chǎn)生電火花和電磁 第一章 緒論 - 5 - 類干擾，對其他設備的運行極大不利。綜述了以上直流有刷電機的缺點可以發(fā) 現(xiàn)，無刷電機的產(chǎn)生就是一種必然，以電子換相取代機械換相的無刷電機應運 而生。20 世紀 50 年代美國人首次提出了一項特有的專利，利用晶體管組成的 換相電路代替有刷電機本來的結構，這一舉動是無刷電機產(chǎn)生的前奏，現(xiàn)在的 無刷電機由此開始有了發(fā)展方向。然而這中特點的無刷電機真正投入使用實在 20 世紀的 70 年代后期，此時相應驅動器已經(jīng)有了，世界上對這種電動機的研 究也已經(jīng)深入了一個層次，成功的開發(fā)出方波無刷電機和正弦波直流無刷電機。 在小型無刷直流電動機中，逆變器由晶體管組成。由于晶體管具有自關斷能力， 只要其基極上的控制信號消失，晶體管就自行關斷，所以控制比較簡單。在容 量較大的無刷直流電機中，逆變器由晶閘管組成。晶閘管沒有自關斷能力，不 能靠除去觸發(fā)信號使其關斷。所以當一相電流需要截止，讓另一相通電時，如 何關斷原先導通的晶閘管，把電流轉移到新的一相晶閘管，即晶閘管之間的換 流問題是晶閘管電機的技術關鍵。裝在電動機軸上的轉子位置檢測器是無刷直 流電機的重要部件。它決定著電樞各相繞組開始通電的時刻。它的作用相當于 一般直流電機中的電刷。改變位置檢測器產(chǎn)生信號的時刻（相位），相當于直 流電機中改變電刷在空間的位置，對無刷直流電機的特性有很大的影響。位置 檢測器的結構型式很多，它通常包括一組靜止的探測元件和一個隨電機轉子一 起轉動的位置信號形成器。在由霍耳元件構成的位置檢測器中，霍耳元件就是 探測元件，而電機轉子磁極本身就是位置信號形成器。在其他的結構中，如電 磁感應式、光電式、按近開關式中，常利用一個帶缺口的圓盤作為位置信號形 成器。 在使用的對比中可以發(fā)現(xiàn)無刷電機很多的優(yōu)點，運行時能夠得到較好的扭 矩轉速特性和速度很快的動態(tài)響應；有比較高的效率；電機使用年限較長；高 轉速。此外，無刷電機有著獨特的外形這是其一大優(yōu)勢，可以占據(jù)對體積要求 和靈敏度要求較高的場合。 所以，在日常生活用具、汽車工業(yè)、航空、消費 電子、醫(yī)學電子、工業(yè)自動化等裝置和儀表無刷直流電機被廣泛的用 起初在高尖端領域才會使用到無刷電機，隨著制造技術和電力電子技術的 發(fā)展，生成無刷電機的工藝大大提高隨之而來的事成本降低，直接導致無刷直 流電機在工業(yè)和民用領域得到廣泛的應用，目前在電腦硬盤、打印機、音箱、 第一章 緒論 - 6 - VCD，家電領域的空調、洗衣機、冰箱、微波爐，工業(yè)領域的紡織機械、數(shù)控 機床，農(nóng)業(yè)領域的灌溉設備等都得到廣泛的應用。因此，研究無刷直流電機的 驅動，不僅具有理論意義，而且具有現(xiàn)實意義。 世界上的無刷直流電機的控制技術已經(jīng)比較成熟。民用產(chǎn)品使用的無刷電 機控制方面日本的研究比較突出，而美國更注重軍事工業(yè)方面的研究。目前的 研究主要集中在三個方面：首先是研發(fā)體積小靈巧度高的通用性比較強的強的 無刷直流電機控制器。然后是從電機設計與控制方法各個特點考慮，注重轉矩 波動的控制使其達到最小從而可控性 ，擴大應用范圍；最后研究無位置傳感 器控制技術以提高系統(tǒng)可靠性。 無刷電機控制器的發(fā)展模式也是從分立的元件控制方法數(shù)字可編程集成電 路控制方法的發(fā)展歷程。分工的組件設計控制器結構復雜、體積龐大、可靠性 使用性能不好,不利于批量生產(chǎn)。無刷直流電機控制方式很多，近年來應用比較 多的是專用集成電路控制器、單片機、DSP 控制器等等控制手法。現(xiàn)在針對各 種用途的電動機開發(fā)出的專用控制集成電路很多，專門控制無刷直流電機的就 有摩托羅拉公司的生產(chǎn)的 MC33035 專用集成控制芯片、MicroLinear 公司的研 發(fā)的 ML4425/4428 無位置傳感器控制芯片等等。 1.5 本人在畢業(yè)設計中完成的任務 本文主要研究設計基于集成電路的無刷直流電機的控制系統(tǒng)，本文涉及討 論的問題主要包括以下內容： (1)永磁無刷直流電動機數(shù)學模型的建立與分析。 所謂無刷直流電動機系統(tǒng)，就是將電機本體、逆變驅動電路和電流反饋控 制電路作為一個整體加以考慮。建立無刷直流電動機系統(tǒng)的數(shù)學模型，就是準 確地描述系統(tǒng)的各組成部分，并將它們有機地結合，給出系統(tǒng)的完整描述。 (2)控制系統(tǒng)實現(xiàn)方面的研究 系統(tǒng)采用 MOTOROLA 公司 MC33035 作為控制芯片是專門為了電機控制 和運動控制而設計的，其事件管理模塊所內含的定時器、比較單元、積分編碼 脈沖電路使其擁有比較寬范圍的電機控制應用場合。系統(tǒng)主電路采用電力 第一章 緒論 - 7 - MOSFET 模塊作為開關元件構成逆變器，電網(wǎng)電壓首先經(jīng)過不可控整流，再由 大電容濾波輸出直流電壓，經(jīng) 6 個電力 MOSFET 開關為電機三相繞組供電，其 實質是一種電流控制的電壓源型交一直一交變頻器，電力場效應晶體管的一個 顯著特點是驅動電路簡單、驅動功率??；第二個顯著特點是開關速度快、工作 頻率高，電力 MOSFET 的工作頻率在所有電力電子器件中是最高的。 (3)系統(tǒng)硬件電路設計主要包括：功率逆變器電路設計、功率驅動電路的設 計、電流檢測電路設計。 第二章 無刷直流電機工作原理 - 8 - 第二章 無刷直流電機工作原理 2.1 無刷直流電動機的概述 一般有刷直流電動機換向方法是機械結構的換向，在換向的過程過不可避 免的產(chǎn)生大量的摩擦，進而導致帶來了大量的噪聲換向火花和信號干擾以及使 用壽命不長、穩(wěn)定性差等等缺點。基于這些弱點，新型的無刷直流電機的研發(fā) 逐漸被提上日程，Belager 于 20 世紀 20 年代曾經(jīng)提出了無刷直流電機的思想。 由于當時的電力電子技術不夠先進沒能開發(fā)出成功的產(chǎn)品，之后由于技術的發(fā) 展和相關產(chǎn)業(yè)的崛起，美國人 Herrison 在 1956 年提出了利用晶體管制作的系 列換向線路來代替有刷電機的機械電刷，這是現(xiàn)代無刷直流電機誕生的標志。 表 2.1 為無刷直流電機與交流異步電機、有刷直流電機綜合特性的比較。 表 2.1 各種電機綜合特性對比 性能 系統(tǒng) 機械 特性 過載 能力 平穩(wěn)性可控性效率維護體積成本 無刷直 流 硬大好易小易小較高 有刷直 流 硬大較好易大難較大較高 交流異 步 軟小較差難較大易大低 無刷直流電機工作的時候轉子和定子產(chǎn)生的磁場的頻率是同步的，所以可 以說無刷直流電機是同步電機的一個小的分支。由此可以分析得到，無刷直流 電機運行過程中不會產(chǎn)生頻率差的現(xiàn)象，無刷直流電機按其定子繞組的個數(shù)可 以分為幾個大類，單相兩相和三相，直流電動機時一種集成度高的產(chǎn)品，像其 他電動機一樣直流電動機有電機本體，包括定子轉子，其中比較特殊的是直流 無刷電機有內置的位置傳感器，用以檢測無刷直流電機的轉子位置，可以參考 下章講述的轉子位置檢測方法，其另一部分就是電子開關線路。其中直流無刷 電機的定子繞組部分通常是連接成三相對稱星形，與其他形式的電機大同小異。 無刷電機的驅動器由功率電子器件以及相應的集成電路組成，主要是控制的電 第二章 無刷直流電機工作原理 - 9 - 機的啟停，制動轉向燈。接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋 各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和 調整轉速；提供保護和顯示等等 圖 2.1 無刷直流電動機工作原理 從圖 2.1 可見，直流無刷電機的定子繞組通常都是多向的，同時轉子部分 都是有永磁材料構造。無刷直流電機的電動機本體與永磁同步電動機在結構上 并沒有太大差別，不同的是其不存在籠型繞組和其它起動裝置。無刷電機的定 子部分是與電子開關線路中驅動器件相連。嵌入到電動機本體的位置傳感器記 錄轉子位置傳給控制芯片的轉子位置譯碼器。 無刷電機工作是定子繞組一相有電流，定子電流與轉子永久磁鋼的上面附 著的磁極產(chǎn)生的磁場作用而有了力矩，促使驅子旋轉動。嵌入的位置傳感器的 作用是將轉子位置信號轉變?yōu)殡娏餍盘?，通過控制芯片的譯驅動定子各相繞組 固定的順序依次導通，定子相電流隨轉子位置的變化而按一定的次序換相。這 種方式工作的電機導通順序與轉子轉角同步，因此平常所說的直流無刷電動機， 就其基本結構而言，指的是這三部分組成的整個電機系統(tǒng)。直流無刷電動機的 組成原理框圖如圖 2.2 所示。 邏輯控制直流電源功率驅動電動機本體 轉子位置檢測 圖 2.2 無刷電機控制原理框圖 第二章 無刷直流電機工作原理 - 10 - 2.2無刷直流電動機本體 2.2.1 無刷電機的定子部分 定子是電機中固定不動的部件，直流無刷電機的的定子是的作用主要是產(chǎn) 生磁場和做機械支撐，這些個定子主要有硅鋼片的疊壓沖壓制作而成，在電機 的每個沖槽里分布著一些線圈構成繞組。從一般的定義上來說，無刷電機所固 有的定子部分與感應電機在很大程度上相似，只是在定子的排列上有所不同， 大部分的無刷直流電機的定子部分的繞組是呈 Y 型連接的，偶數(shù)個定子繞組排 列在其的四周就形成了偶數(shù)磁極。與一般的有刷電機比較，無刷直流電機的繞 組的排列方式為分布在定子側，更有利于散熱。無刷電機的電樞繞組可以分為 Y 接法和接法，但是考慮到系統(tǒng)的性能和成本較多應用 Y 接、三相對稱且無 中性點引出的無刷直流電機。 圖 2-3 Y 接和接法 AB 通電情形 AC 通電情形 （a）(b) 第二章 無刷直流電機工作原理 - 11 - BC 相通電情形 BA 相通電情形 (c) (d) CA 相通電情形 CB 相通電情形 (e) (f) 圖 2-4 定子繞組兩兩通電示意圖 正如上圖所顯示的，主要表現(xiàn)了定子的相互聯(lián)系方式。三個定子經(jīng)過其中 的各個連接點以星型方式連接一塊。無刷直流電機向外導出三根線。兩兩導線 通電時，可以分為六種情況，循環(huán)一圈是 AB, AC, BC, BA, CA, CB 上圖詳細描 述各個線圈在通電情況下的磁感應強度的方向以及矢量方向上合成磁感應強度。 在上圖中，AB 相通電，中間的轉子因為受力，會向中間的箭頭方向對齊。 按照這種趨勢下去轉到中間箭頭位置時，外圈的線圈開始進行換相，成為 AC 相通電，這是轉子會繼續(xù)運動，向第二個圖中的方向對齊，一旦當轉子到達圖 中箭頭位置時，會變成 BC 相通電，之后依次循環(huán)。當外部完成了六次換向之 后，內轉子正好旋轉一周 360。是否換相只跟轉子位置有關系與轉速無關。 第二章 無刷直流電機工作原理 - 12 - 圖 2-4 中換相前后合成磁場所有的方向和轉子位置的具體聯(lián)系已經(jīng)表示出 來。無刷直流電機的定子繞組劃分為梯形和正弦兩種，這兩個繞組的連接的根 本區(qū)別是不同的連接方式使他們產(chǎn)生的反電動勢各不相同。如下圖所示 梯形繞組的反電勢波形 正弦繞組的反電勢波形 圖 2-5 定子繞組兩種波形 2.2.2 電動機轉子 直流無刷電機的轉子部分組成結構為由若干對永磁體固定在電動機本體內， 永磁體的 n 極和 s 極是兩兩交替放置的。當前具有的轉子中潛入的永磁體基本 上用的是釹鐵硼材料進行制作的。無刷電機的轉子結構有三種形式：表面粘貼 式磁極。這種形式就是在鐵心的外側沾上徑向充磁的瓦片形稀土永磁體。在電 機的設計過程中如果使用瓦片形永磁體徑向勵磁并且時期其磁弧的寬為大于 120，就會產(chǎn)生方波形式的氣隙磁通密度，從而減少了勵磁轉矩的波動。無 刷電機嵌入式磁極也就是在電機本體的鐵心之內部放入永磁體，這樣做的一個 特點就是同一個極距下面的磁通可以由相鄰的兩個磁極相互并聯(lián)，而與此同時 聚磁的產(chǎn)生可以提供非常大的磁通，致使采用如此結構需要準備隔磁處理即使 用環(huán)形磁極。該種結構的轉子制造工藝相對簡單，適用于體積和功率較小的電 機。 2.3 轉子位置檢測 無刷直流電機由于利用了永磁同步電機的結構代替了傳統(tǒng)直流電機的結構 需要轉子位置檢測結構和逆變裝置來實現(xiàn)“換相”過程。轉子位置檢測的方法 第二章 無刷直流電機工作原理 - 13 - 主要分為兩大類，位置傳感器檢測法和無位置檢測傳感器檢測法。 2.3.1 位置傳感器檢測法 位置傳感器在無刷電機的控制中起著很大的作用，位置傳感器通過檢查轉 子位置然后傳給測速器進行 f/v 轉換。另外就是為通過控制芯片的譯碼為開關 電路提供正確的換向信息?，F(xiàn)在各種位置傳感器分類非常多，而使用較多的無 刷電機位置傳感器主要還是電磁式光電式磁敏式等位置傳感器和旋轉變壓器等。 電磁式位置傳感器的特點是使用電磁效應測量轉子位置。它的主要特點就 是輸出的信號比較大、壽命較長、使用環(huán)境的并不苛刻。但是它也有自己的缺 點就是其體積較大，抗噪能力比較低，其輸出的波形就是交流，還需要經(jīng)整流、 濾波方才能變成直流以供使用。 第二種應用比較多的就是光電式位置傳感器，它的工作原理主要是利用光 電效應，分為絕對編碼器和增量式編碼器，跟隨電機轉子一起旋轉的遮光部分 和固定不動的光源等部件組成。光電式的位置傳感器主要的特點是精度相比較 而言較高，但是價格非常便宜，并且具有方便加工的特點，主要不足之處是不 能適應太惡劣的環(huán)境，并且輸出信號要經(jīng)過整形電路。 磁敏式位置傳感器工作原理是應用一些半導體敏感元件的電參數(shù)會伴隨著 它周圍的相應磁場的改變而發(fā)生改變這些原理。使用比較多的有霍爾元件、磁 敏電阻等。 旋轉變壓器主要應用在多相電機的控制中，旋轉變壓器的特點是其能夠輸 出多路的位置信號，以此達到對多相電機等的控制需求，但是這種位置檢測器 的缺點也很明顯；安裝不方便，購買價格很貴，一般使用的三相無刷直流電動 機基本不采用這種形式。 霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是磁電效應 的一種?；魻栃诎雽w、導電流體等有所表現(xiàn)，且半導體所具有的霍爾效 應遠遠大于其他金屬的霍爾效應。因此這種元件被廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)的自 動化技術和檢測技術等各個方面。 第二章 無刷直流電機工作原理 - 14 - 霍爾傳感器的分類大概可以分為兩種，線性型和開關型的霍爾傳感器。其 中線性的霍爾傳感器的組成部分主要有射極跟隨器、霍爾元件、線性放大器等。 其次是開關型霍爾傳感器它的組成部分與線性型器件大同小異，主要由差分放 大器，施密特觸發(fā)器以及穩(wěn)壓器、霍爾元件輸出級組成。兩種傳感器的另一個 區(qū)別就是前者輸出的是模擬量而后者輸出的事數(shù)字量。 也有才有按照被測對象進行分類的這樣可以分為直接應用和間接應用。直 接應用的特點是能夠直觀的測出要接受檢測對象所固有的磁場，而間接應用則 是檢測人工設置的磁場，人為設置的磁場來作為一種載體傳遞信息。由這個人 為磁場可以講很多的其他物理數(shù)據(jù)轉變?yōu)榭梢灾苯訙y量的電量進行控制。 由電電磁感應的原理可知，當霍爾元件的相對位置發(fā)生改變時，電磁感應 產(chǎn)生相應的電勢和方向會發(fā)生改變。霍爾元件的這種特性就是達到了反應傳感 器的作用。但是由于霍爾元件電磁感應產(chǎn)生的電動勢很微弱，使用過程中一般 會加上一個發(fā)達器，這樣做比較麻煩。由于集成技術，半導體的發(fā)展，可以將 這兩者集中到一個芯片上組成霍爾集成電路，如圖 2-6 所示。 反向保護器 VOUT2 穩(wěn)壓電源 差分放 大器 VOUT1 4GND 霍 爾 元 件 施密觸 發(fā)器 輸出級 Vcc 圖 2-6 霍爾元件集成電路 第二章 無刷直流電機工作原理 - 15 - 由上描述可知霍爾元件傳感器大致分為兩類，線性型和開關型，無刷直流 電機應用的一般是開關型的。將開關型的霍爾元件放置在電機本體內，放置位 置傳感器到電機定子上很復雜，要充分考慮到與轉子磁場相切，如果安裝不當 就會導致霍爾元件測量結果存在較大誤差，不能準確的反應轉子當前的位置， 針對這種情況，為了使開關型的器件安裝更為方便，一般會在電機的轉子位置 放置一個多余的磁體，用這個冗余的磁體來感應霍爾元件，達到和轉子磁體感 應的相同效果， 霍爾元件位置的安排上，有 60、120、240等多種形式。 2.3.2 無位置傳感器檢測法 目前轉子位置檢測的技術比較成熟了，而目前研究熱門是無位置傳感器控 制技術，國際電機控制研究的很多學者已經(jīng)有無位置傳感器檢測方面的研究， 并且獲得了一定的成果。利用無位置傳感器控制方式的無刷直流電機有著獨特 的優(yōu)勢例如控制系統(tǒng)比較可靠、抗干擾能力很強等，還能在一定程度上克服因 為在電機本體安裝傳感器不方便導致位置安裝不準確引起的換向轉矩波動。其 中反電勢法目前研究的各種無位置傳感器控制方法系列中比較嫻熟而且使用很 廣泛的一種。使用這種反電勢法獲得的反電勢過零點的信號可以延遲 30電角 度，從而可以取得六個離散的轉子位置信號，為邏輯開關電路提供可靠的換相 信息，進而實現(xiàn)無刷直流電機的無位置傳感器控制。 2.4 PWM調制技術 無刷直流電機由三部分組成，分別是電動機本體、電子開關線路、轉子位 置檢測系統(tǒng)電子開關線路還能有兩種分布，即電子邏輯信號處理和功率逆變這 兩部分。 電力電子技術的研發(fā)日新月異，隨著技術不斷的發(fā)展人們研制出了自關斷 電力電子器件，也就是全控式器件。這些全控性器件有大功率晶體管、電力場 效應晶體管（MOSFET),可關斷晶閘管(GTO)等，這用使用全控型的開關型實現(xiàn) 脈沖寬度的調制比較容易，并且有體積較小的，效率高，功率因數(shù)高等特點。 直流脈沖寬度調制(PWM-M)調速控制系統(tǒng)因為其開關頻率的提高就有很多優(yōu)勢， 比如電流連續(xù)諧波少損耗小等。 第二章 無刷直流電機工作原理 - 16 - 脈沖寬度調制簡稱 PWM，主要原理是可以通過功率管的開關頻率來控制 恒值電流與電壓從而將其轉換為 f 不變，脈沖寬度可以調節(jié)的方波脈沖電壓， 然后經(jīng)過脈沖電壓的寬度的變化來調節(jié)輸出電壓的平均值。PWM 極數(shù)可以很 方便的進行諧波抑制，運用這種控制方法可以再很大程度上提高逆變電路可控 性。上節(jié)已經(jīng)敘述了 PWM 的調節(jié)原理，根據(jù)這些原理而構成的逆變器，輸入 恒流恒壓，經(jīng)過逆變器最終可以達到調壓和調頻的效果。使用這樣的逆變器可 以使主電路和控制回路非常方便和簡化。其另一個不可或缺的特點就是可以集 調壓、調頻等功能，具有調節(jié)速度快和系統(tǒng)相應的動態(tài)性能比較好。在采樣控 制理論江蘇的非常重要的結論是：在形狀上不一樣但是本省的沖量相等的窄脈 沖，如果把這些具有相同沖量的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，產(chǎn)生的效果大 致不變，這是所有 PWM 技術的最根本的理論基礎。 F(t) t F(t)F(t) F(t) t tt 圖 2-7 沖量等效原理 在一半的周期里面，可以把電壓輸出的如圖所示波形，看做很多脈沖，分 割開來的這些脈沖將其的時間寬度定義為，把兩個這種脈沖之間的寬度為 1 t 2 t 將脈沖的占空比定義為： 21 1 tt t 第二章 無刷直流電機工作原理 - 17 - （2-1） 圖 2-8 PWM 調制原理 由以上沖量等效原理分析可知，電壓大小是和占空比的數(shù)字成正比的，因 此改變其調節(jié)頻率并不能改變直流電電壓的幅值大小，僅僅西其脈沖的 發(fā) 生了相應的變化，這樣也能達到實現(xiàn)調頻調壓的目的，因此使用這種方法調節(jié) 占空比足以達到改變輸出電壓的目的,并且可以實現(xiàn)無級連續(xù)調節(jié)。PWM 調制 主要使用兩種方法，分別是等脈寬 PWM 法和 SPWM 法，早期有一種裝置叫做 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)，這種方法實現(xiàn)的 PWM 控制致使輸 出頻率可以調節(jié)的方波電壓，但是在具體的調壓方面就不能達到要求，所以為 了克服這個調制方法出現(xiàn)的問題，研制出了等脈寬 PWM 法。這種方法是 PWM 調制中比較簡單的，主要的工作原理是將每一個寬度相同的脈沖作為 pwm 波，實現(xiàn)的調頻調壓，具體方法是改變周期實現(xiàn)前者，而改變占空比可以 實現(xiàn)后者。另一種使用比較多的方法叫做 SPWM 法，這種調制方法的研究現(xiàn)在 已經(jīng)非?？尚辛耍壳笆褂帽容^廣泛的 PWM 調制方法。它的原理是把分的一 個正弦波的一半周期均等的進行分割，每一部分的波形與做標注所圍成的面積 可以用一個矩形來替代，前提是矩形的面積與此波形的面積相等。這樣就可以 第二章 無刷直流電機工作原理 - 18 - 是等幅不等寬的矩形脈沖面積來代替正弦波的面積，實現(xiàn)等效，工程中主要研 究的事基波分量，是矩形脈沖的幅值，是固定值，在半個周期以內 N 的值也 d V 不發(fā)生變化，基波的幅值和脈沖寬度i 之間具有如下關系： m V1 （2- 1 1 421 sin() 222 N md i ii VV 2） 從這個式子可以得知通過逆變器得到的基波電壓的幅值會隨著調制脈寬發(fā) 生改變，如果采用控制信號來調整脈沖寬度就可以實現(xiàn)調節(jié)基波幅值的目的。 在實現(xiàn)以上控制方法是可以使脈沖的占空比按照正弦波的規(guī)律排。正弦值 與脈沖的寬度總是保持一致，同時變大變小。而他們與脈沖之間的時間間隔變 化則是相反的。 2.5無刷直流電動機的運行特性 2.5.1 機械特性 無刷直流電動機的機械特性為： （2- 2 2222 STasT e eeet UUrIUUr nT CCC C 3） UT-開關器件的管壓降 Ia-電樞電流 Ce-電機的電動勢常數(shù) -每級磁通量 可見無刷直流電動機的機械特性與一般直流電動機的機械特性表達式相同， 機械特性較硬。在不同的供電電壓驅動下，可以得到如圖所示機械特性曲線簇。 第二章 無刷直流電機工作原理 - 19 - 圖 2-10 機械特性曲線簇 當轉矩較大、轉速較低時，流過開關管和電樞繞組的電流很大，這時，管 壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示 的機械特性曲線會偏離直線，向下彎曲。 2.5.2 調節(jié)特性 無刷直流電動機的調節(jié)特性如圖 2-11 所示。 圖 2-11 調節(jié)特性 調節(jié)特性的始動電壓和斜率分別為： 第二章 無刷直流電機工作原理 - 20 - （2-4） 0 2 2 e T T rT UU C （2-5） 1 e K C 從機械特性和調節(jié)特性可以看出，無刷直流電動機與一般直流電動機一樣， 具有良好的調速控制性能，可以通過調節(jié)電源電壓實現(xiàn)無級調速。但不能通過 調節(jié)勵磁調速，因為永磁體的勵磁磁場不可調。 2.5.3 工作特性 電樞電流與輸出轉矩的關系、效率輸出轉矩的關系如圖 2-12 所示。 圖 2-12 工作特性 在輸出額定轉矩時,電機效率高、損耗低是無刷直流電動機的重要特點之一。 2.6 數(shù)學模型 無刷電機的數(shù)學建模來分析和計算具體數(shù)值，下面以兩極三相電機作為一 個例子具體來構造無刷電機的數(shù)學模型。假定無刷電機的定子繞組為 Y，定子 繞組與整距繞組連接，它的轉子部分則采用一種隱極內的結構，再就是呈 120空間距離的霍爾元件 3 個。要進行數(shù)學建模還有進行具體情況的簡化， 比如不能計算鐵心的飽和，渦流與磁滯損耗也必須忽略，電樞反應也忽略不計。 電機內部的齒槽之間的相互反應也要忽略，這樣就認為電樞導體是平均的分布 在電樞表面的。在上述分析的前提下得到直流無刷電機三項繞組電壓平衡方程 第二章 無刷直流電機工作原理 - 21 - 為 (2-6) 0 0 M 0 0M M 0 0 M M aaaa bbbb cccc uiierLM uriLp ie rLuiie 上個公式中： 是定子的繞組相電壓； a U b U c U 是定子繞組相電流； a i b i c i 是定子繞組相電動勢； a e b e c e P 的公式是 P=； d dt L 為各個繞組的自感； M 每兩相繞組的互感(H)。 因為無刷直流電機轉子的磁阻不會隨著子的相對位置改變，所以其定子繞組所 具有的自感和互感為一個固定數(shù)，無刷電機的三相繞組結成星型連接時有： ia+ib+ic=0 （2-7） Mib+Mic=-Mi （2-7） 由上面的公式可得 (2-9) 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 aaaa bbbb cccc uiieRaLM uRbiLMp ie RcLMuiie 電磁轉矩為： Td=(eaia+ebib+ecic)/ (2-10) P 其中 是電機的角速度(rad/s) 運行時電動機的帶電導體各相繞組所具有的感應電動勢如下所示： 第二章 無刷直流電機工作原理 - 22 - (2-11) 30 m mm p N En 其中： 為無刷電機的極對數(shù)； m P N 電機的總導體數(shù)； 是無刷電機的主磁通； m 是電動機轉速。n 采用星型方式聯(lián)結的電機，其感應電動勢為 E。 (2-12) 2 15 m dmm p N EEn 無刷電機的電磁轉矩為： （2- 24 mdm dmd E Ip N TI n 13） 是直流電動機方波電流的幅值。 d I 為直流無刷電機的角速度 （2- 2 60 n 14） 從式(2-10)可得，直流無刷方波電機的電磁轉矩表達式與普通直流電機相 同，直流無刷電機轉子方程為： (2-15) di d TJBT dt 化簡得到 (2-16) 1 () dl dB TT dtJJ 第二章 無刷直流電機工作原理 - 23 - 其中：是無刷電機的負載轉矩； i T J 轉子與負載的轉動慣量。 控制系統(tǒng)采用了 120三相逆變器，在任一時刻只有兩相通電，直流無刷 方波電機的輸出相電壓幅值為，對于每相繞組有如下動態(tài)方程式： s UU 2 1 (2-17) 1 2 d sdaa di UUi RLE dt 式中電源電壓。 S U 忽略粘性摩擦，電動機的轉矩平衡方程式為： (2-18) 2 375 a dl em RGD MM C C 由式(2-10)可得： (2-19) m dL a T dE ii Rdt 對式(2-9)和式(2-11)兩邊分別進行拉式變換后得： (2-20) 1 ( ) 1 1 ( )( ) 2 da L s IsR T s UsE s (2-21) ( ) ( )( ) a dLm RE s IsIsT s 考慮到，可得直流無刷方波電機的動態(tài)結構圖，如圖 2-13 所示。ncE e 第二章 無刷直流電機工作原理 - 24 - 圖 2-13 動態(tài)結構圖 第三章 無刷電機控制系統(tǒng) - 25 - 第三章 無刷電機的控制系統(tǒng) 3.1 控制系統(tǒng)框圖 基于集成電路的無刷電機控制系統(tǒng)，其中主回路由直流電源直接供電，然 后濾波電路電路進行濾波，電機的驅動使用的是三相逆變橋電路構成。其中逆 變橋部分是由三對 MOSFET 組成的?？刂齐娐凡糠钟筛鶕?jù)課題要求，控制電路 部分的主控芯片選用的是 MOTOROLA 公司生產(chǎn)的電動車專用集成電路芯片 MC33035 和 MC33039。轉子位置檢測電路，由第二章的描述可知，轉子位置 傳感器是與無刷電機集于一體的霍爾元件傳感器。 濾波電路 控制電 路供電 電路 控制電路驅動電路逆變電路 電流檢測 轉子位置檢測 電機 圖 3-1 控制系統(tǒng)框圖 第三章 無刷電機控制系統(tǒng) - 26 - 3.2直流無刷電機控制系統(tǒng)的主電路設計 3.2.1 逆變電路 第二章已經(jīng)介紹過 PWM 調制。脈沖寬度調制簡稱 PWM，主要原理是可 以通過功率管的開關頻率來控制恒值電流與電壓從而將其轉換為 f 不變，脈沖 寬度可以調節(jié)的方波脈沖電壓，然后經(jīng)過脈沖電壓的寬度的變化來調節(jié)輸出電 壓的平均值。PWM 極數(shù)可以很方便的進行諧波抑制，運用這種控制方法可以 再很大程度上提高逆變電路可控性。