永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)

1、Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM BLDCMs) 三相三狀態(tài)BLDCM 原理 傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=1 導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：B 傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=0 導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：B 傳感器：傳感器：H1=1 H2=1 H3=0 導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：C 傳感器：傳感器：H1=0 H2=1 H3=0 導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：C 傳感器：傳感器：H1=0 H2=1 H3=1 導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：A 傳感器：傳感器：H1=0 H2=0 H3=1 導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：A 傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=1 導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：B 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)

2、控制器控制器直流電源直流電源 位置傳感器位置傳感器 輸出輸出 無刷直流電機(jī)構(gòu)成框圖無刷直流電機(jī)構(gòu)成框圖 1-1 基本原理基本原理 永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)圖永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)圖 控制電路對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行邏輯變換控制電路對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行邏輯變換 后產(chǎn)生脈寬調(diào)制后產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWMPWM信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大送至逆信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大送至逆 變器各功率開關(guān)管，從而控制電動(dòng)機(jī)各相繞組按一定變器各功率開關(guān)管，從而控制電動(dòng)機(jī)各相繞組按一定 順序工作，在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。順序工作，在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 工作原理工作原理 磁極圖示位置磁極圖示位置位置信號(hào)位

3、置信號(hào) 邏輯變換邏輯變換V1、V6開通開通 A、B相導(dǎo)通相導(dǎo)通I:E+-A- B-E- 電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 磁極轉(zhuǎn)過磁極轉(zhuǎn)過60o圖示位置圖示位置 位置信號(hào)位置信號(hào)邏輯變換邏輯變換 V1、V2 開通開通 A、C 相導(dǎo)通相導(dǎo)通I: E+-A-C-E- 電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60o，逆變器開關(guān)管換流一次、定子磁狀，逆變器開關(guān)管換流一次、定子磁狀 態(tài)改變一次，電機(jī)有態(tài)改變一次，電機(jī)有6個(gè)磁狀態(tài)，三相各導(dǎo)通個(gè)磁狀態(tài)，三相各導(dǎo)通120o 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)順時(shí)針連續(xù)旋轉(zhuǎn)、定子磁場(chǎng)隔轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)順時(shí)針連續(xù)旋轉(zhuǎn)、定子磁場(chǎng)隔60O跳躍旋轉(zhuǎn)跳躍旋轉(zhuǎn) 兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)時(shí)繞組和開關(guān)管導(dǎo)

4、通順序表兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)時(shí)繞組和開關(guān)管導(dǎo)通順序表 1-2 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 1） 電機(jī)本體電機(jī)本體 定子：與普通異步電機(jī)相同，鐵心中嵌三相定子：與普通異步電機(jī)相同，鐵心中嵌三相 或多相對(duì)稱繞組或多相對(duì)稱繞組 轉(zhuǎn)子：永磁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子：永磁結(jié)構(gòu) 瓦形（徑向磁化）瓦形（徑向磁化） 矩形矩形(切向磁化切向磁化) 環(huán)形環(huán)形(徑向磁化徑向磁化) 1轉(zhuǎn)軸；轉(zhuǎn)軸；2前端蓋前端蓋；3螺釘，螺釘，4墊片；墊片； 5軸承；軸承；6定子；定子； 7一轉(zhuǎn)子；一轉(zhuǎn)子；8一傳感器轉(zhuǎn)子；一傳感器轉(zhuǎn)子； 9后端蓋；后端蓋；10傳感器定子傳感器定子 稀土水磁無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖稀土水磁無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 三相星形三狀

5、態(tài)三相星形三狀態(tài) 2) 逆變器：最常用的為逆變器：最常用的為三相星形六狀三相星形六狀 態(tài)態(tài) 和和三相星形三狀態(tài)三相星形三狀態(tài) 三相星形六狀態(tài)三相星形六狀態(tài) 3) 位置傳感器位置傳感器 磁敏式位置傳感器磁敏式位置傳感器 霍爾元件霍爾元件 電磁式位置信感器電磁式位置信感器 高頻線圈高頻線圈 光電式位置信感器光電式位置信感器 光耦合器件光耦合器件 置于磁場(chǎng)中的載流體，如果電流方向與磁場(chǎng)垂直，則置于磁場(chǎng)中的載流體，如果電流方向與磁場(chǎng)垂直，則 在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加的橫向電場(chǎng)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加的橫向電場(chǎng)， 這個(gè)現(xiàn)象是霍普金斯大學(xué)研究生霍爾于這個(gè)現(xiàn)象是霍普金斯大學(xué)研究生霍

6、爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，年發(fā)現(xiàn)的， 后被稱為后被稱為。 霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)，是一種磁傳感器。是一種磁傳感器。 可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合 中使用。中使用?；魻杺鞲衅髦饕袃纱箢悾活悶榛魻杺鞲衅髦饕袃纱箢?，一類為 ，一類為，一類為線性霍爾器件線性霍爾器件。 Hall IC 安裝方式 第一種方式：第一種方式：將霍爾元件粘貼于電機(jī)端蓋內(nèi)表面，將霍爾元件粘貼于電機(jī)端蓋內(nèi)表面， 靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝著與電靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝著與電 機(jī)軸同軸的永磁體。機(jī)軸同軸的永磁

7、體。 第二種方式：第二種方式：直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心 氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子上氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子上 的稀土磁體主極作為傳感器的水滋體，根據(jù)霍爾元的稀土磁體主極作為傳感器的水滋體，根據(jù)霍爾元 件的輸出信號(hào)即可判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置，將信號(hào)放件的輸出信號(hào)即可判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置，將信號(hào)放 大處理后便可驅(qū)動(dòng)逆變器工作。大處理后便可驅(qū)動(dòng)逆變器工作。 Hall IC 安裝示意圖 1、三個(gè)霍爾元件在 空間依次相差120o電 角度 2、傳感器磁極與轉(zhuǎn) 子磁極同軸旋轉(zhuǎn)、極 數(shù)相等、極性相對(duì)應(yīng) 電磁式位置傳感器的定子 由磁芯、高頻激

8、磁繞組和 輸出繞組組成，轉(zhuǎn)子由扇 形磁芯和非導(dǎo)磁襯套組成 定、轉(zhuǎn)子磁芯均由高頻導(dǎo) 滋材料(如軟磁鐵氧體)制 成。 電機(jī)運(yùn)行時(shí)，輸入繞組中 通以高頻激磁電流，當(dāng)轉(zhuǎn) 子扇形磁芯處在輸出繞組 下面時(shí)，輸入和輸出繞組 通過定、轉(zhuǎn)子磁芯耦臺(tái)， 輸出繞組中則感應(yīng)出高頻 信號(hào)，經(jīng)濾波整形和邏輯 處理后，即可控制逆變器 開關(guān)管。 優(yōu)點(diǎn)1：電磁式傳感器 具有較高的強(qiáng)度，可經(jīng) 受較大的振動(dòng)沖擊，故 多用于航空航天領(lǐng)域。 優(yōu)點(diǎn)2：電磁式位置傳 感器輸出信號(hào)較大，一 般不需要經(jīng)過放大便可 直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，但因 輸出電壓是交流，必須 先整流。 缺點(diǎn)：傳感器過于笨重 復(fù)雜，因而大大限制了 其在普通條件下的應(yīng)用。 2 三相

9、永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)基三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)基 本公式與數(shù)學(xué)模型本公式與數(shù)學(xué)模型 無刷直流電機(jī)的磁場(chǎng)、電勢(shì)、電流波形無刷直流電機(jī)的磁場(chǎng)、電勢(shì)、電流波形 2-1 基本公式基本公式(三相六狀態(tài)三相六狀態(tài)) 1 1電樞繞組感應(yīng)電勢(shì)電樞繞組感應(yīng)電勢(shì) 單根導(dǎo)體在氣隙磁場(chǎng)中感應(yīng)電勢(shì)單根導(dǎo)體在氣隙磁場(chǎng)中感應(yīng)電勢(shì)e=BLv )/( 60 2 60 sm np n D v 如電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為如電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為W ，則每相繞組的感，則每相繞組的感 應(yīng)電勢(shì)為應(yīng)電勢(shì)為 又因?yàn)橛忠驗(yàn)?所以：所以： 對(duì)于三相六狀態(tài)電機(jī)對(duì)于三相六狀態(tài)電機(jī),線電壓為：線電壓為： 無刷直流電機(jī)電動(dòng)勢(shì)公式與直流電機(jī)相似無刷直流電機(jī)電動(dòng)

10、勢(shì)公式與直流電機(jī)相似 2 2電樞電流電樞電流 電壓平衡方程式：電壓平衡方程式： 電源電壓 開關(guān)管的飽開關(guān)管的飽 和管壓降和管壓降 電阻壓降 電樞電流為：電樞電流為： 3. 3. 電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 所以： Tem=CTIa 2-2 三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型 定子相繞 組電壓 定子相繞 組電流 定子相繞組 自感、互感 定子相繞 組電動(dòng)勢(shì) 微分算子 ： ia+ib+ic=0 Mia+Mib=-Mic Mib+Mic=-Mia Mia+Mic=-Mib 電機(jī)負(fù)載時(shí)電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響稱為電機(jī)負(fù)載時(shí)電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響稱為電電 樞反應(yīng)樞反應(yīng)。 電摳反應(yīng)與磁路的飽和

11、程度、轉(zhuǎn)向、電摳繞電摳反應(yīng)與磁路的飽和程度、轉(zhuǎn)向、電摳繞 組聯(lián)結(jié)方式、導(dǎo)通順序和磁狀態(tài)角的大小有組聯(lián)結(jié)方式、導(dǎo)通順序和磁狀態(tài)角的大小有 關(guān)。關(guān)。 二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例對(duì)電樞反應(yīng)進(jìn)二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例對(duì)電樞反應(yīng)進(jìn) 行分析行分析 m 增磁或去磁的數(shù)值等于增磁或去磁的數(shù)值等于電樞合成磁勢(shì)電樞合成磁勢(shì)Fa在轉(zhuǎn)子磁極在轉(zhuǎn)子磁極 軸線上的投影，其最大值為：軸線上的投影，其最大值為： 相磁勢(shì)：相磁勢(shì)： 電樞合成磁勢(shì)電樞合成磁勢(shì): 由于功率開關(guān)管只能單向?qū)?，所以由于功率開關(guān)管只能單向?qū)?，所?BLDCM反轉(zhuǎn)不能靠通以反向電壓實(shí)反轉(zhuǎn)不能靠通以反向電壓實(shí) 現(xiàn)。只有靠控制繞組的導(dǎo)通順序來實(shí)現(xiàn)。只有靠

12、控制繞組的導(dǎo)通順序來實(shí) 現(xiàn)?，F(xiàn)。 Hall IC PM PM 正轉(zhuǎn)時(shí)相互位置關(guān)系正轉(zhuǎn)時(shí)相互位置關(guān)系 uha=uhb=1 uhc=0 AB導(dǎo)通導(dǎo)通 uha=uhc=0 uhb=1 AC導(dǎo)通導(dǎo)通 反轉(zhuǎn)時(shí)相互位置關(guān)系反轉(zhuǎn)時(shí)相互位置關(guān)系 uhb=uhc=1 uha=0 BC導(dǎo)通導(dǎo)通 uha=uhc=0 uhb=1 AC導(dǎo)通導(dǎo)通 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與有刷直流電動(dòng)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與有刷直流電動(dòng) 機(jī)的機(jī)械特性的表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。機(jī)的機(jī)械特性的表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。 但由于公式是在忽略電樞繞組電感時(shí)得到的，故但由于公式是在忽略電樞繞組電感時(shí)得到的，故 與實(shí)際電機(jī)的機(jī)械待性有一

13、定區(qū)別。與實(shí)際電機(jī)的機(jī)械待性有一定區(qū)別。 永磁無刷直流電動(dòng)永磁無刷直流電動(dòng) 機(jī)的機(jī)械特性曲線機(jī)的機(jī)械特性曲線 對(duì)比對(duì)比 機(jī)械機(jī)械 特性曲線組特性曲線組 調(diào)節(jié)特性曲線組 換相前換相前:AC導(dǎo)通導(dǎo)通 V1A C V2 換相中：換相中：BC通、通、A續(xù)流續(xù)流 V3B C V2 ACV2 D4 A (A相續(xù)流) 換相后：換相后：BC通通 V3B C V2 令令ia(tf )0，得，得ia降為零的時(shí)間降為零的時(shí)間tf 此時(shí)此時(shí) 在非換向時(shí)，即每個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為在非換向時(shí)，即每個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 5 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制器永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制器 5-1 開關(guān)主電路開關(guān)主電

14、路 濾波電路濾波電路實(shí)現(xiàn)直流電源的低通濾波，形成低內(nèi)阻硬持 性直流電壓源，同時(shí)與繞組感性負(fù)載交換無功功率， 其功能由大電容C2實(shí)現(xiàn) 緩沖電路緩沖電路是為減少開關(guān)管承受的尖峰電壓。由R3、C3、 D7組成RDC緩沖電路。緩沖電容C3應(yīng)選用高頻特性好 的無感電容，D7應(yīng)選擇過渡正向電壓低、反向恢復(fù)時(shí) 間短的快速恢復(fù)二極管。 逆變電路：逆變電路：功率開關(guān)管T1T6、續(xù)流二極管D1D6 功率開關(guān)管TlT6通常為GTR、功率MOSFET、IGBT、 GTO以及MCT等功率電子器件，也可以為功率集成電 路PIC或智能功率模塊IPM 5-2 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路將控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放

15、大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可 靠關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 驅(qū)動(dòng)電路的工作方式直接影響著開關(guān)管的一 些參數(shù)和特性，從而影響著整個(gè)電機(jī)控制系 統(tǒng)的正常工作。 開關(guān)管的種類不同，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求也不 同，因而對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路也不同。 常見集成驅(qū)動(dòng)電路常見集成驅(qū)動(dòng)電路 控制電路是無刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速 伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能： 1)對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)、PWM調(diào)制信號(hào)、正 反轉(zhuǎn)和停車信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合, 給驅(qū)動(dòng)電路提供各開關(guān) 管的斬波和選通信號(hào), 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。 2)產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào) 而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開

16、環(huán)調(diào)速。 3)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng) 具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。 4)實(shí)現(xiàn)短路、過流和欠壓等故障保護(hù)功能等。 控制電路的形式: 1、分立元件全模擬電路經(jīng)濟(jì)型 2、專用集成控制電路 規(guī)?；?、專用 3、數(shù)模混合控制電路 半數(shù)字化 (PID) 4、全數(shù)字控制電路 高性能(MCU DSP) eg1: 以以8098單片機(jī)為核心的數(shù)字式控制電路單片機(jī)為核心的數(shù)字式控制電路 輸入信號(hào)輸入信號(hào)：轉(zhuǎn)子位置傳感器送來的VA、VB、VC，正 反轉(zhuǎn)及停車信號(hào)ZZ、FZ、STOP，過流信號(hào)IP及調(diào)速信 號(hào)P0.4。 至驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)為UGl一UG6和PWM斬波信號(hào)。 單片機(jī)8098、鎖存器74L

17、S373和片外程序存儲(chǔ)器27128 (EPROM)組成8098。 兩片可編程邏輯器件可編程邏輯器件GAL16V8實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的邏輯 綜合。 8098單片機(jī)通過軟件軟件實(shí)現(xiàn)PWM斬波信號(hào)輸出、最佳起 動(dòng)過程，通過對(duì)位置傳感器的信號(hào)計(jì)算測(cè)量轉(zhuǎn)速、實(shí) 現(xiàn)速度閉環(huán)和電流閉環(huán)的PID控制等功能。 以以8098單片機(jī)為核心的單片機(jī)為核心的 eg2: 實(shí)用型控制器實(shí)用型控制器 實(shí)用型控制器介紹實(shí)用型控制器介紹 1) 開關(guān)主電路開關(guān)主電路 電源電壓電源電壓48VDC，經(jīng)，經(jīng)LC濾波電路輸出穩(wěn)定的濾波電路輸出穩(wěn)定的 48V電壓。電壓。 采用三相橋式逆變器，工作方式為采用三相橋式逆變器，工作方式為120o導(dǎo)通型

18、導(dǎo)通型 星形三相六狀態(tài)。星形三相六狀態(tài)。 功率開關(guān)管功率開關(guān)管T1T 6選用高速型選用高速型MOSFET器件器件 IR540，D1D6為續(xù)流二極管。為續(xù)流二極管。 采用一個(gè)整體型采用一個(gè)整體型RCD緩沖電路。緩沖電路。 采用采用IR公司的公司的6單元驅(qū)動(dòng)集成電路單元驅(qū)動(dòng)集成電路IR2130，該電路采，該電路采 用上橋臂自舉電容工作，驅(qū)動(dòng)用上橋臂自舉電容工作，驅(qū)動(dòng)6個(gè)單元僅用一路個(gè)單元僅用一路10- 20V電源。電源。 輸入信號(hào)可與輸入信號(hào)可與TTL、MOS器件接口。器件接口。 芯片內(nèi)部具有欠壓鎖定、外部過流封鎖和故障輸出指芯片內(nèi)部具有欠壓鎖定、外部過流封鎖和故障輸出指 示功能。示功能。旦過流保護(hù)或欠壓鎖定，旦過流保護(hù)或欠壓鎖定，LA2會(huì)發(fā)光指示。會(huì)發(fā)光指示。 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)W3可調(diào)節(jié)過流保護(hù)值。為了防止干擾引起誤觸可調(diào)節(jié)過流保護(hù)值。為了防止干擾引起誤觸 發(fā)而產(chǎn)生假過流現(xiàn)象，在發(fā)而產(chǎn)生假過流現(xiàn)象，在IR2130的的9腳過流封鎖端加腳過流封鎖端加 一小電容進(jìn)行濾波。一小電容進(jìn)行濾波。 包括包括PWM生成電路生成電路和和邏輯綜合電路邏輯綜合電路兩部分。兩部分。 PWM生成電路采用生成電路采用SG3525PWM脈沖形成電路來產(chǎn)生斬波脈沖形成電路來產(chǎn)生斬波 調(diào)壓信號(hào)。調(diào)壓信