無刷直流電機(jī)(個人原創(chuàng)精華匯總簡潔扼要)

1、無刷直流電動機(jī)的無刷直流電動機(jī)的原理及控制原理及控制12012.7.20直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：線性機(jī)械特性、調(diào)速范圍寬 控制電路簡單、啟動轉(zhuǎn)矩大直流電機(jī)的缺點(diǎn)直流電機(jī)的缺點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)中帶有電刷和換向器 ，影響了調(diào)速的精度直流無刷電動機(jī)的產(chǎn)生直流無刷電動機(jī)的產(chǎn)生： 用電子換向裝置代替機(jī)械換向裝置，同時保留了直流電機(jī)和交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)3 換向（相）又可以稱為“換流”。在無刷直流永磁電機(jī)中，來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號，經(jīng)處理后按一定的邏輯程序，驅(qū)使某些與電樞繞組相連接的功率開關(guān)晶體管在某一瞬間導(dǎo)通或截止，迫使某些原來沒有電流的電樞繞組內(nèi)開始流通電流，某些原來有電流的電樞繞組內(nèi)開始關(guān)斷電流或改變電流

2、的流通方向，從而迫使定子磁狀態(tài)產(chǎn)生變化。 我們把這種利用電子電路來實(shí)現(xiàn)電樞繞組內(nèi)電流變化的物理過程稱為電子換向（相）或“換流”。每“換流”一次，定子磁狀態(tài)就改變一次，連續(xù)不斷地“換流”，就會在工作氣息內(nèi)產(chǎn)生一個跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場。（5）汽車；）汽車；（1）計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備，如軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū)等；）計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備，如軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū)等；（2）辦公自動化設(shè)備：如打印機(jī)、掃描儀、繪圖儀等；）辦公自動化設(shè)備：如打印機(jī)、掃描儀、繪圖儀等；（3）家電產(chǎn)品：如洗衣機(jī)、空調(diào)、風(fēng)扇等；）家電產(chǎn)品：如洗衣機(jī)、空調(diào)、風(fēng)扇等；（4）印象設(shè)備：如）印象設(shè)備：如VCD、攝像機(jī)、錄像機(jī)等；、攝像機(jī)、錄像機(jī)等；（6）數(shù)控機(jī)床；數(shù)

3、控機(jī)床；（7）醫(yī)療設(shè)備等方面和領(lǐng)域。醫(yī)療設(shè)備等方面和領(lǐng)域。無刷直流電機(jī)的應(yīng)用：無刷直流電機(jī)的應(yīng)用：7 無刷直流電機(jī)構(gòu)成框圖無刷直流電機(jī)構(gòu)成框圖8 （a）結(jié)構(gòu)示意圖）結(jié)構(gòu)示意圖(b) 定轉(zhuǎn)子實(shí)際結(jié)構(gòu)定轉(zhuǎn)子實(shí)際結(jié)構(gòu) 位置檢測器有位置傳感器檢測無位置傳感器檢測霍爾式（霍爾元件）霍爾元件）光電式（光耦合器件）光耦合器件）電磁式（高頻線圈）高頻線圈）反電動勢檢測續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測定子三次諧波檢測瞬時電壓方程法（控制算法）（控制算法）10 定、轉(zhuǎn)子磁芯均由高頻導(dǎo)磁材料(如軟磁鐵氧體)制成。 定子有6個級，間隔的三個極為同一繞組，接高頻電源，作為勵磁極，其他為感應(yīng)極，作為輸出端。 電機(jī)運(yùn)行時，輸入繞組中

4、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，輸入和輸出繞組通過定、轉(zhuǎn)子磁芯耦合，輸出繞組中則感應(yīng)出高頻信號，經(jīng)濾波整形和邏輯處理后，即可控制逆變器開關(guān)管。 v 固定在定子上的幾個光電耦合開關(guān)和固定在轉(zhuǎn)子軸上的遮光盤所組成每只光電耦合開關(guān)是由相互對著的紅外發(fā)光二極管(或激光器)和光電管(光電二極管， 三極管或光電池)所組成。 v 紅外發(fā)光二極管(或激光器)通上電后， 發(fā)出紅外光(或激光)； 當(dāng)遮光盤隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，光線依次通過光槽(孔)， 使對著的光電管導(dǎo)通， 相應(yīng)地產(chǎn)生反應(yīng)轉(zhuǎn)子相對定子位置的電信號， 經(jīng)放大后去控制功率晶體管， 使相應(yīng)的定子繞組切換電流。v 光電式位置傳感器產(chǎn)生的電信號

5、一般都較弱， 需要經(jīng)過放大才能去控制功率晶體管。但它輸出的是直流電信號， 不必再進(jìn)行整流。 圖中兩個霍爾元件圖中兩個霍爾元件H1和和H2以間隔以間隔90電角度粘于電電角度粘于電機(jī)定子繞組機(jī)定子繞組A和和B的軸線上，的軸線上， 并通上控制電流，并通上控制電流， 電機(jī)轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼兼作位置傳感器的轉(zhuǎn)子。磁鋼兼作位置傳感器的轉(zhuǎn)子。 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁鋼當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁鋼N極和極和S極輪流通過霍爾元件極輪流通過霍爾元件H1和和H2， 因而產(chǎn)生對應(yīng)轉(zhuǎn)子因而產(chǎn)生對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置的兩個正的和兩個負(fù)的位置的兩個正的和兩個負(fù)的霍爾電勢，霍爾電勢， 經(jīng)放大后去控制經(jīng)放大后去控制功率晶體管導(dǎo)通，功率晶體管導(dǎo)通， 使

6、四個定使四個定子繞組輪流切換電流。子繞組輪流切換電流。 霍爾無刷直流電動機(jī)結(jié)霍爾無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)簡單， 體積小，體積小， 但安置和但安置和定位不便，定位不便， 元件片薄易碎，元件片薄易碎， 對環(huán)境及工作溫度有一定要對環(huán)境及工作溫度有一定要求，求， 耐震差。耐震差。 普通直流電動機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，而定子產(chǎn)生固普通直流電動機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，而定子產(chǎn)生固定不動的磁場。為了使直流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，需要通過換定不動的磁場。為了使直流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，需要通過換向器和電刷不斷改變電樞繞組中電流的方向，使兩個向器和電刷不斷改變電樞繞組中電流的方向，使兩個磁場的方向始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩磁場的方向

7、始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電動機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)。無刷直流電動機(jī)為了去掉電刷驅(qū)動電動機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)。無刷直流電動機(jī)為了去掉電刷，將電樞放到定子上去，而轉(zhuǎn)子制成永磁體，這樣的，將電樞放到定子上去，而轉(zhuǎn)子制成永磁體，這樣的結(jié)構(gòu)正好和普通直流電動機(jī)相反結(jié)構(gòu)正好和普通直流電動機(jī)相反。13無刷直流無刷直流電機(jī)系統(tǒng)圖電機(jī)系統(tǒng)圖 控制電路對轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的信號進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電動機(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。15無刷直流電動機(jī)原理圖（三相無刷直流電動機(jī)原理圖（三相 光電式位置傳感器）光電式位置傳感器） 旋

8、轉(zhuǎn)磁場在一周內(nèi)有3種狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)120，他們跟蹤轉(zhuǎn)子，并與轉(zhuǎn)子的磁場相互作用，產(chǎn)生推動轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩，如此周期重復(fù)下去。16無刷直流電機(jī)的定子繞組連接主要有： （1）星形聯(lián)結(jié)三相半橋式； （2）星形聯(lián)結(jié)三相橋式星形聯(lián)結(jié)三相橋式； （3）角形聯(lián)結(jié)三相橋式。三種形式，星形聯(lián)結(jié)三相橋式應(yīng)用最多。17 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US - - 位置檢測器的三個輸出信號通過邏輯電路控制這些開關(guān)管位置檢測器的三個輸出信號通過邏輯電路控制這些開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：。 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5

9、A B C + US - - 開關(guān)管的導(dǎo)通順序決定共有6種導(dǎo)通狀態(tài)，間隔60電角度改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每改變一次狀態(tài)更換一個開關(guān)管，每個開關(guān)管導(dǎo)通120電角度，每相繞組導(dǎo)通240。當(dāng)V1 ,V2導(dǎo)通時，電流的線路為：電源V1 A相繞組 C相繞組 V2地 ，其中A相繞組和C相繞組相當(dāng)于串聯(lián)。這種連接方式比半橋方式繞組的利用率增加了，輸出轉(zhuǎn)矩也增加了。 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US - - 開關(guān)管的導(dǎo)通順序決定共有6種導(dǎo)通狀態(tài)，間隔60電角度改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每改變一次狀態(tài)更換一個開關(guān)管，每個開關(guān)管導(dǎo)通180電角度，導(dǎo)通的時間增加了。當(dāng)V1 ,V2，V3導(dǎo)通時

10、，電流的線路為：電源 V1V3 A相繞組和B相繞組C相繞組V2地 ，其中A相繞組和B相繞組相當(dāng)于并聯(lián)，在與C相串聯(lián).因?yàn)槿嗤瑫r通電，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量互有抵消，所以總的轉(zhuǎn)矩并不比二二導(dǎo)通方式大。繞組利用率：三相繞組優(yōu)于四相、五相繞組轉(zhuǎn)矩脈動：相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩脈動越小電路成本：相數(shù)越多，電路成本越高（1）三相半橋反轉(zhuǎn)兩圖比較（1）正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)狀態(tài)中，轉(zhuǎn)子相差了180，位置傳感器的輸出不能直接去控制電動機(jī)的反轉(zhuǎn)。（2）正轉(zhuǎn)通電順序 A B C 反轉(zhuǎn)通電順序 C B A辦法：增加一套控制反轉(zhuǎn)的位置傳感器，但是這樣并不經(jīng)濟(jì)，安裝也 很困難。v在當(dāng)前狀態(tài)中，要改變繞組通電狀態(tài) 在（a）中，要使C相導(dǎo)通。v方法

11、：設(shè)計(jì)一個邏輯電路，按照表中所示狀態(tài)進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換。在在無刷直流無刷直流電機(jī)中，電機(jī)中，力矩正比于電流力矩正比于電流，速速度度正正比于電壓比于電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速正比于反電勢電機(jī)轉(zhuǎn)速正比于反電勢，因此其控，因此其控制特性與機(jī)械特性均與直流電機(jī)基本相同。制特性與機(jī)械特性均與直流電機(jī)基本相同。5.電機(jī)力矩與轉(zhuǎn)速的控制規(guī)律：電機(jī)力矩與轉(zhuǎn)速的控制規(guī)律：25控制器是無刷直流電動機(jī)的三大組成部分之一，它主控制器是無刷直流電動機(jī)的三大組成部分之一，它主要包括開關(guān)主電路要包括開關(guān)主電路(即逆變器即逆變器)、驅(qū)動電路和控制電路、驅(qū)動電路和控制電路261 1、開關(guān)主電路、開關(guān)主電路對于單相交流電源供電、電機(jī)采用三相電樞繞

12、組時，對于單相交流電源供電、電機(jī)采用三相電樞繞組時，典型的開關(guān)主電路通常由典型的開關(guān)主電路通常由整流電路整流電路、濾波電路濾波電路、緩沖緩沖電路電路和和逆變電路逆變電路構(gòu)成。構(gòu)成。27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、IG

13、BT、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IPM28 驅(qū)動電路驅(qū)動電路將控制電路的輸出信號進(jìn)行功率放大，將控制電路的輸出信號進(jìn)行功率放大，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)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)動信號。動信號。 驅(qū)動電路的工作方式直接影響著開關(guān)管的一些驅(qū)動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，從而影響著整個電機(jī)控制系統(tǒng)的正常參數(shù)和特性，從而影響著整個電機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作。工作。 開關(guān)管的種類不同，對驅(qū)動信號的要求也不同，開關(guān)管的種類不同，對驅(qū)動信號的要求也不同，因而對應(yīng)的驅(qū)動電路也不同。因而對應(yīng)的驅(qū)動電路也不同。2

14、9常見集成驅(qū)動電路常見集成驅(qū)動電路30控制電路是無刷直流電動機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速控制電路是無刷直流電動機(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：伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：1)對轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號、對轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號、PWM調(diào)制信號、正調(diào)制信號、正反轉(zhuǎn)和停車反轉(zhuǎn)和停車信號進(jìn)行邏輯綜合信號進(jìn)行邏輯綜合, 給驅(qū)動電路提供各開關(guān)給驅(qū)動電路提供各開關(guān)管的斬波和選通信號管的斬波和選通信號, 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。2)產(chǎn)生產(chǎn)生PWM調(diào)制信號，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號調(diào)制信號，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號而自動變化，實(shí)現(xiàn)電

15、機(jī)開環(huán)調(diào)速。而自動變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。3)對電動機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系對電動機(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)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能。統(tǒng)具有較好的動態(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。實(shí)現(xiàn)短路、過流和欠壓等故障保護(hù)功能等。31控制電路的形式控制電路的形式:1、分立元件全模擬電路、分立元件全模擬電路經(jīng)濟(jì)型經(jīng)濟(jì)型2、專用集成控制電路、專用集成控制電路 規(guī)模化、專用規(guī)模化、專用3、數(shù)?；旌峡刂齐娐贰?shù)?；旌峡刂齐娐?半數(shù)字化半數(shù)字化 (PID)4、全數(shù)字控制電路、全數(shù)字控制電路 高性能高性能(MCU DSP)（1）單片機(jī)控制）單片機(jī)控制（2）專用集成電路控制）專用集成電路控制1 1、控制內(nèi)容、控制內(nèi)容2 2、控制途徑、控制途徑換相控制，轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)向控制，啟動限流控制等。換相控制，轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)向控制，啟動限流控制等。換相以及換向：位置傳感器的輸出信號，換相以及換向：位置傳感器的輸出信號，通過軟件，產(chǎn)生控制字控制通過軟件，產(chǎn)生控制字控制P1口口換速：換速：PWM控制電樞電流控制電樞電流限流控制：電壓比較器限流控制：電壓比較器1 1、單片機(jī)控制、單片機(jī)控制2 2、專用集成電路控制、專用集成電路控制 用于無刷直流電機(jī)的專用集成電路芯片有很多種，大都用于無刷直流電機(jī)的專用集成電路芯片有很多種，大都是針對霍爾式位置傳感器的