(完整word版)三相無刷直流電機系統(tǒng)結構及工作原理

1、三相無刷直流電機系統(tǒng)結構及工作原理2.1 電機的分類電機按工作電源種類可分為：1. 直流電機：(1) 有刷直流電機：永磁直流電機：稀土永磁直流電動機；鐵氧體永磁直流電動機；鋁鎳鉆永磁直流電動機；電磁直流電機：串勵直流電動機；并勵直流電動機；他勵直流電動機；復勵直流電動機；(2) 無刷直流電機：稀土永磁無刷直流電機；2. 交流電機：(1) 單相電動機；(2) 三相電動機。2.2 無刷直流電機特點電壓種類多 : 直流供電交流高低電壓均不受限制。容量范圍大：標準品可達 400Kw 更大容量可以訂制。低頻轉矩大 : 低速可以達到理論轉矩輸出啟動轉矩可以達到兩倍或更高 高精度運轉：不超過 1 rpm.(

2、 不受電壓變動或負載變動影響 ) 。高效率:所有調速裝置中效率最高比傳統(tǒng)直流電機高出 530% 調速范圍：簡易型/通用型(1：10) 高精度型 (1：100) 伺服型。過載容量高 : 負載轉矩變動在 200%以內輸出轉速不變。體積彈性大 : 實際比異步電機尺寸小可以做成各種形狀。 可設計成外轉子電機 (定子旋轉 )。轉速彈性大 : 可以幾十轉到十萬轉。制動特性良好可以選用四象限運轉?？稍O計成全密閉型 IP-54IP-65 防爆型等均可。 允許高頻度快速啟動電機不發(fā)燙。通用型產品安裝尺寸與一般異步電機相同易于技術改造。2.3 無刷直流電機的組成直流無刷電動機的結構如圖 2.1 所示。它主要由電動

3、機本體、位置傳感器和 電子開關線路三部分組成。電動機本體在結構上與永磁同步電動機相似， 但沒有 籠型繞組和其他起動裝置。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、無相不等）， 轉子由永久磁鋼按一定極對數（2p=2,4，）組成。3 機皿圖 2.1 直流無刷電動機的結構原理圖當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉子永久磁鋼的磁極所產生的磁場相 互作用而產生的轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子磁鋼位置變換成電 信號，去控制電子開關電路，從而使定子各相繞組按一定順序導通， 定子相電流 隨轉子位置轉子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關線路的導通次序是與轉子轉角同步的，因而起到了機械換向器的換相作用

4、。如圖2.2 所示圖 2.2 無刷直流電動機基本結構圖因此，所謂直流無刷電動機，就其基本結構而言，可以認為是一臺由電子開 關線路、永磁式同步電動機以及位置傳感器三者組成的“電動機系統(tǒng)” 。其原理 框圖如圖2.3 所示。圖 2.3 直流無刷電動機的原理框圖位置傳感器在直流無刷電動機中起著測定轉子磁極位置的作用， 為邏輯開關 電路提供正確的換相信息，即將轉子磁鋼磁極的位置信號轉換成電信號， 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。在直流無刷電動機中常 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【3】。2.4 基本工作原理眾所周知，一般的永

5、磁式直流電動機的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動機氣隙中產生磁場。其電樞繞組通電后產生反應磁場。 其電樞繞組通電 后產生反應磁場。由于電刷的換向作用，使得這兩個磁場的方向在直流電動機運 行的過程中始終保持相互垂直，從而產生最大轉矩而驅動電動機不停地運轉。直 流無刷電動機為了實現無電刷換相，首先要求把一般直流電動機的電樞繞組放在 定子上，把永磁磁鋼放在轉子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動機的結構剛好相反。但僅這樣做還是不行的，因為用一般直流電源給定子上各繞組供電，只能產生固定磁場，它不能與運動中轉子磁鋼所產生的永磁磁場相互作用，以產生單一方向的轉矩來驅動轉子轉動。所以，直流無刷電動機除了由定子和

6、轉子組成電動機本體 以外，還要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關共同構成的換相裝置，使得直流無刷電動機在運行過程中定子繞組所產生的的磁場和轉動中的轉子磁鋼 產生的永磁磁場，在空間始終保持在（n/2 ） rad 左右的電角度。2.5 無刷直流電機參數本系統(tǒng)采用的無刷電機參數-額定功率100W-額定電壓24V (DC-額定轉速3000r/min-額定轉矩0.23N?m-最大轉矩0.46N?m-定位轉矩0.01N?m-額定電流4.0A-最大電流8.0A極對數：4霍爾傳感器位置呈 60放置2.6 三相無刷電動機主電路及工作方式無刷直流電機有多相結構，每種電動機可分為半橋驅動和全橋驅動， 全橋驅 動

7、又可分為星形聯(lián)結和三角形聯(lián)結以及不同的通電方式。 因此，不同的選擇會使 電動機產生不同的性能和成本，這是每一個應用系統(tǒng)設計者都要考慮的問題。 下 面做一下對比。（1） 繞組的利用率。與普通直流電機不同，無刷直流電動機的繞組是斷續(xù) 通電的。適當地提高繞組通電利用率可以使同時通電導體數增加，使電阻下降， 提高效率。從這個角度來看，三相比四相好，四相比無相好，全橋比半橋好。（2） 轉矩的波動。無刷直流電動機的輸出轉矩波動比普通直流電動機的大，因此希望盡量減小轉矩波動。一般相數越多，轉矩的波動越小。全橋驅動比半橋 驅動轉矩的波動小。（3） 電路的成本。相數越多，驅動電路所使用的開關管越多，成本越高。

8、全橋驅動比半橋驅動所使用的開關管多一倍， 因此成本要高。多相電動機的結構 復雜，成本也高。綜合上述分析，本系統(tǒng)采用三相星形（Y）聯(lián)結全控電路，如圖 2.4。丿審J申T倚圖 2.4 三相星形（Y）聯(lián)結繞組三相全控橋式電路單片機輸入控制信號到 LM621 的輸入端，通過內部驅動之后控制信號被加載 到功率 MOSFE 的柵極，通過控制信號驅動 MOSFE 的開關，這樣只要單片機控制 好各相輸出的相位關系在轉子轉到合適的位置后進行換相，這樣就能在單片機端口輸出 TTL 電平的時候輸出端將高壓信號直接加載到無刷直流電機的相應相的 繞組上。在三相逆變電路中，應用最多的是如圖 2.4 所示的三相橋式全控逆變

9、電路。 在該電路中，電動機的三相繞組為星形（Y）聯(lián)結。VF1、VF2、VF6 為六只 MOSFE功率管，起繞組的開關作用。他們的通電方式又可分為兩兩導通和三三 導通兩種方式。1.兩兩通電方式所謂兩兩導通方式是指每一瞬間有兩個功率管導通，每隔1/ 6 周期(60電角度)換相一次，每次換相一個功率管，每一功率管導通120電角度。各功率管的導通順序是 VF1VF2 VF2VF3 VF3VF4 VF4VF5 VF5VF6 VF6VF1 。 當功率管 VF1 和 VF2 導通時，電流從 VF1 管流入 A 相繞組，再從 C 相繞組流出， 經 VF2 管回到電源。如果認定流入繞組的電流所產生的轉矩為正，那

10、么從繞組流出所產生的轉矩則為負，它們合成的轉矩如圖2.5 (a)所示，其大小為.、3Ta，方向在 Ta 和Tc 的角平分線上。當電機轉過 60后，由 VF1VF2S電換成 VF2VF3 通電。這時，電流從 VF3 流入 B 相繞組再從 C 相繞組流出，經 VF2 回到電源，此 時合成的轉矩如圖 2.5 (b)所示，其大小同樣為.3 Ta0但合成轉矩 Tbc 的方向 轉過了 60電角度，而后每次換相一個功率管，合成轉矩矢量方向就隨著轉過 60電角度，但大小始終保持.、3Ta 不變。圖 2.5 (c)示出了全部合成轉矩的方 向。圖 2.5 星形(Y )聯(lián)結繞組兩兩通電時的合成轉矩矢量圖(a) VF

11、1、VF2 導通時合成轉矩；(b) VF2、V F3 導通時合成轉矩；(c)兩兩通電時合成轉矩矢量圖所以，同樣一臺無刷直流電動機，每相繞組通過與三相半控電路同樣的電流 時，采用三相星形(Y)聯(lián)結全控電路，在兩兩換相的情況下，其合成轉矩增加 了3倍。每隔60電角度換向一次，每個功率管通電 120，每個繞組通電 240，其中正相通電和反相通電各 120,其輸出轉矩波形如圖 2.6 所示。由圖 2.6 可 以看出，三相全控時的轉矩波動比三相半控時小得多。如將三只霍爾傳感器按相位差 120安裝，則它們所產生的波形如圖 2.7(a) 所示。其換相的控制電路可由一片 74LS138 型 3 8 譯碼器和

12、74LS09、74LS38 兩片門電路構成，本系統(tǒng)采用無刷直流電動機專用集成芯片LM621 控制，如圖2.7 (b)所示。b)(b)圖 2.7全控橋兩兩通電電路原理示意圖圖 2.6全控橋輸出波形圖(a)VA2(X1 pFD|F_ru -t TF心TIHF_ EIMBLEJ I/L3 ikLtCt1B9HIBLM421朋-HLrtg謚1w(a)傳感器輸出波形；(b)原理示意圖2.三三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通電，每隔60換相一次，每個功率管通電 180。它們的導通次序是 VF1VF2VF3VF2VF3VF4VF3VF4VF5VF4VF5VF3VF5VF6VF1 V

13、F6VF1VF2 VF1VF2VF3 。當 VF6VF1VF2導通時，電流從 VF1 流入 A 相繞組，經 B 相和 C 相繞組(這時 B、C 兩相繞組為 并聯(lián))分別從 VF6 和 VF2 流出。這時流過 B 相和 C 相繞組的電流分別為流過 A 相繞組的 1/2，其合成轉矩如圖 2.8 (a)所示，其方向與 A 相相同，而大小為 1.5Ta。經過 60電角度后，換相到 VF1VF2VF 通電，即先關斷 VF6 而后導通 VF3 (注意，一定要先關 VF6 而后通 VF3,否則就會出現VF6 和 VF3 同時通電， 則電源被短路，這是絕對不允許的)。這時電流分別從 VF1和 VF3 流入，經

14、A 相和 B 相繞組(相當于 A 相和 B 相并聯(lián))再流入 C 相繞組，經 VF2 流出，合成轉矩如圖 2.8 (b)所示，其方向與-C 相同，轉子再轉過 60電角度后大小仍為1.5Ta。 再經過 60電角度后，換相到 VF2VF3VF4電，而后依次類推，循環(huán)往復。它們的合成轉矩矢量圖如圖 2.8 (c)所示。a)圖 2.8三三通電時的合成轉矩矢量圖(a) VF6VF1VF2 導通時合成轉矩；(b) VF1VF2VF3 導通時合成轉矩；(c )三三通電時的合成轉矩在這種通電方式里，每瞬間均有三個功率管通電。每隔60換相一次，每次有一個功率管換相，每個功率管導通 180 。從某一相上看，星形(Y)聯(lián)結 三三通電方式一相電壓波形如圖 2.9 所示。ToT；iTnT”c)Uainwt圖 2.9 星形(Y)聯(lián)結三三通電方式一相電壓波形此外，根據直流側電源性質的不同可分為兩種： 直流側是電壓源的稱為電壓 型逆變電路，直流側是電流源的稱為電流型逆變電路。 它們各有特點， 本系統(tǒng)使 用電壓型逆變電路，它有以下特點：（1）直流側為電壓源，或接有大電容，相當于電壓源，直流側電壓基本無 脈動，直流回路呈現低阻抗。（2）由于直流