無刷直流電機(jī)的組成及工作原理

1、無刷直流電機(jī)的組成及工作原理引言直流無刷電動(dòng)機(jī)一般由電子換相電路、 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路和電動(dòng)機(jī)本體三部 分組成，電子換相電路一般由控制部分和驅(qū)動(dòng)部分組成，而對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)一 般用位置傳感器來完成。工作時(shí)，控制器根據(jù)位置傳感器測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置有 序的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路中的各個(gè)功率管， 進(jìn)行有序換流， 以驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。 下文從 無刷直流電動(dòng)機(jī)的三個(gè)部分對(duì)其發(fā)展進(jìn)行分析。無刷直流電機(jī)的組成電動(dòng)機(jī)本體無刷直流電動(dòng)機(jī)在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電動(dòng)機(jī)基本一樣， 但它的電樞繞組 放在定子上，轉(zhuǎn)子采用的重量、 簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、提高了性能，使其可*性得以提高。 無刷電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展是分不開的，磁性材料的發(fā)展過

2、程基本上經(jīng) 歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段：鋁鎳鈷，鐵氧體磁性材料，釹鐵硼（NdFeB）。釹鐵 硼有高磁能積， 它的出現(xiàn)引起了磁性材料的一場(chǎng)革命。第三代釹鐵硼永磁材料的 應(yīng)用，進(jìn)一步減少了電機(jī)的用銅量，促使無刷電機(jī)向高效率、小型化、節(jié)能的方 向發(fā)展。目前，為提高電動(dòng)機(jī)的功率密度， 出現(xiàn)了橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)， 其定子齒槽與電樞 線圈在空間位置上相互垂直， 電機(jī)中的主磁通沿電機(jī)軸向流通， 這種結(jié)構(gòu)提高了 氣隙磁密， 能夠提供比傳統(tǒng)電機(jī)大得多的輸出轉(zhuǎn)矩。 該類型電機(jī)正處于研究開發(fā) 階段。電子換相電路控制電路：無刷直流電動(dòng)機(jī)通過控制驅(qū)動(dòng)電路中的功率開關(guān)器件，來控制電 機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩以及保護(hù)電機(jī)，包括過流、過

3、壓、過熱等保護(hù)?？刂齐娐?最初采用模擬電路，控制比較簡(jiǎn)單。如果將電路數(shù)字化，許多硬件工作可以直接 由軟件完成，可以減少硬件電路，提高其可靠性，同時(shí)可以提高控制電路抗干擾 的能力，因而控制電路由模擬電路發(fā)展到數(shù)字電路。驅(qū)動(dòng)電路： 驅(qū)動(dòng)電路輸出電功率， 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電樞繞組， 并受控于控制電 路。驅(qū)動(dòng)電路由大功率開關(guān)器件組成。 正是由于晶閘管的出現(xiàn)， 直流電動(dòng)機(jī)才從 有刷實(shí)現(xiàn)到無刷的飛躍。 但由于晶閘管是只具備控制接通， 而無自關(guān)斷能力的半 控性開關(guān)器件，其開關(guān)頻率較低，不能滿足無刷直流電動(dòng)機(jī)性能的進(jìn)一步提高。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了全控型的功率開關(guān)器件， 其中有可關(guān)斷晶 體管（GTO）

4、、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、金屬柵雙極性晶體管IGBT模 塊、集成門極換流晶閘管 （IGCT）及近年新開發(fā)的電子注入增強(qiáng)柵晶體管 （IEGT） 隨著這些功率器件性能的不斷提高， 相應(yīng)的無刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路也獲得了飛速 發(fā)展。目前，全控型開關(guān)器件正在逐漸取代線路復(fù)雜、體積龐大、功能指標(biāo)低的 普通晶閘管， 驅(qū)動(dòng)電路已從線性放大狀態(tài)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制的開關(guān)狀態(tài)， 相應(yīng)的電 路組成也由功率管分立電路轉(zhuǎn)成模塊化集成電路， 為驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)智能化、 高頻 化、小型化創(chuàng)造了條件。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路永磁無刷電動(dòng)機(jī)是一閉環(huán)的機(jī)電一體化系統(tǒng)， 它是通過轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)作 為電子開關(guān)線路的換相信號(hào)，因此，準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)

5、子位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置及時(shí)對(duì) 功率器件進(jìn)行切換，是無刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。用位置傳感器來作為轉(zhuǎn) 子的位置檢測(cè)裝置是最直接有效的方法。一般將位置傳感器安裝于轉(zhuǎn)子的軸上，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)。最早的位置傳感器是磁電式的， 既笨重又復(fù)雜， 已被 淘汰；目前磁敏式的霍爾位置傳感器廣泛應(yīng)用于無刷直流電動(dòng)機(jī)中， 另外還有光 電式的位置傳感器。電機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理本文所采用電機(jī)為MAXON公司的EC系列電機(jī)，其主要參數(shù)如下：額定功 率400W、額定電壓48V、 最大工作電流、 額定轉(zhuǎn)矩688mNm、 堵轉(zhuǎn)電流139A、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩IIOOOmNm、空載電流740mA、空載轉(zhuǎn)速5400rpm、轉(zhuǎn)

6、矩常數(shù)85mNm/A、 速度常數(shù)113rpm/V、機(jī)械時(shí)間常數(shù)、最大效率86%、相間電阻、相間電感、轉(zhuǎn) 子慣量831gcm2。無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLCDM)，它主要由電動(dòng)機(jī)本體，霍爾位置傳感器和電子 開關(guān)線路三部分組成。 電動(dòng)機(jī)本體主要包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分， 定予繞組分為A、B、C三相，每相相位相差1 20。，采用星形連接，三相繞組分別與電子開關(guān)線 路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件連接；轉(zhuǎn)子由N、S兩極組成，極對(duì)數(shù)為1。圖 為三相 兩極無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)。電子開關(guān)線路用來控制電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時(shí)間， 主要由功 率邏輯開關(guān)單元和霍爾位置傳感器信號(hào)處理單元兩部分組成。功率邏輯開關(guān)單元 將電源功率以

7、一定的邏輯分配關(guān)系分配給電機(jī)定子上的各相繞組， 以便使電機(jī)產(chǎn) 生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。 霍爾位置檢測(cè)器的作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)于定子繞組的位 置信號(hào)，進(jìn)而控制邏輯開關(guān)單元的各相繞組導(dǎo)通順序和時(shí)間。圖 三相兩極無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)， 該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相 互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩， 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)， 再由霍爾位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成 電信號(hào)， 去控制電子開關(guān)線路， 從而使定子各相繞組按一定次序?qū)ǎ?定子相電 流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。 由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序與轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)角同步，因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。電機(jī)采用全橋驅(qū)動(dòng)方式，下面介紹電機(jī)工作

8、在全橋驅(qū)動(dòng)方式下的工作原理。 圖是電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)方式的電路圖，其中Q1,-,Q6為六個(gè)功率開關(guān)管，它們組成 三相橋式逆變器。 采用霍爾位置傳感器來檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，控制器根據(jù) 電機(jī)的位置信息按一定順序組合六個(gè)功率開關(guān)管的導(dǎo)通， 這樣電機(jī)的繞組也就按 順序?qū)?，?shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。圖 電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)方式的電路圖這里采用兩兩通電， 三相六狀態(tài)方式， 也就是指每一個(gè)瞬間上下橋臂各有兩 個(gè)功率管導(dǎo)通， 每隔1/6周期(60o電角度)換相一次， 每次換相一個(gè)功率管， 每 個(gè)功率管一次導(dǎo)通120。電角度，各功率管導(dǎo)通順序依次是Q1Q4Q1Q6Q3Q6Q3Q2Q5Q2Q5Q4。表 列出了電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)三相逆

9、變 器的通電順序表 電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)的通電規(guī)律注：表中“+”表不正向通電， “一”表不反向通電。電機(jī)控制策略對(duì)于星形連接的三相無刷直流電機(jī)，在理想條件下，任何時(shí)刻只有兩相繞組 通電導(dǎo)通，第三相不導(dǎo)通。這時(shí)，導(dǎo)通的兩相電流大小相等但方向相反，不導(dǎo)通 的電流等于0，而且導(dǎo)通的兩相反電動(dòng)勢(shì)大小也相等，方向相反。設(shè)加在兩相通 電繞組上的電壓平均值為U，則電壓平衡方程式為：U =2RSIS+ 2Lspls+2ES+2VSW=2UR+2UL+2ES+2VSW式中，？?為電樞繞組的電阻壓降，UL為繞組電感壓降，Es為繞組反電動(dòng)勢(shì)，VSW為功率開關(guān)管壓降。其中：Ce=譽(yù)是由電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，B為氣隙

10、磁感應(yīng)強(qiáng)度，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。由上式可知，無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可以通過改變外加平均電壓U來實(shí)現(xiàn),當(dāng)U較大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n就較大，當(dāng)U較小時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n就較小。因此，控制器可通過PWM(脈寬調(diào)制)信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，通過調(diào)節(jié)逆變器 功率開關(guān)管的PWM觸發(fā)信號(hào)的占空比來改變外施的平均電壓U,從而實(shí)現(xiàn)電機(jī) 的調(diào)速。PWM是利用半導(dǎo)體開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，把直流電壓變?yōu)橐欢ㄒ?guī)律的電壓 脈沖序列，并通過控制電壓脈沖寬度或周期以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、 調(diào)頻和消除諧波的技術(shù)。圖3是利用開關(guān)管對(duì)電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。 在圖中，當(dāng)開關(guān)管Q1柵極輸入U(xiǎn)i為高電平電壓時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，電機(jī)電樞繞組 兩端電壓為

11、Us。t1時(shí)間后，柵極輸入U(xiǎn)i變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電機(jī)電樞兩端 電壓為零。t2時(shí)間后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過程。 這樣，對(duì)應(yīng)著開關(guān)管QI柵極輸入的電平高低，電機(jī)電樞繞組兩端的電壓波形如圖 所示。圖PWM調(diào)速控制原理和電壓波形圖電機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值U為：U=匕Us=aUt1+t2T式中，a占空比。a=t2()占空比a表示了在一個(gè)周期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間長(zhǎng)短與周期的比值。a的變化范圍為OWaW1。由式可知，當(dāng)電源電壓US不變時(shí)，電樞繞組兩端的電 壓平均值U取決于占空比a的大小。改變a的值即可以改變端電壓的平均值， 從 而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是電機(jī)的PWM調(diào)速

12、原理。在PWM調(diào)速時(shí)，占空比a是一個(gè)重要參數(shù)。由式(2.4)及丁=t1+ t2可知， 有三種方法可以改變占空比a的值：(1)定寬調(diào)頻法：這種方法是保持t1不變，只改變t2，這樣使周期T(或頻率)也 隨之改變。(2)調(diào)寬調(diào)頻法：這種方法是保持t2不變，只改變t1，這樣使周期T(或頻率)也 隨之改變。(3)定頻調(diào)寬法：這種方法是保持周期T(或頻率)保持不變，而同時(shí)改變t1和t2。所以，可得到電機(jī)轉(zhuǎn)速為:U-2UR-2UL-2VSWn =2CeB前兩種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻 率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此這兩種方法使用比較少。所以 在本控制器的電

13、機(jī)控制系統(tǒng)中，使用定頻調(diào)寬法。PWM技術(shù)又可分為單極性PWM控制和雙極性PWM控制。單極性PWM控制 的控制信號(hào)如圖所示，在每個(gè)60。電角度的區(qū)域內(nèi)，一個(gè)功率開關(guān)管一直處于 開通狀態(tài)，另一個(gè)處于PWM狀態(tài)；雙極性PWM控制的控制信號(hào)如圖4(b)所示, 在每個(gè)60o電角度區(qū)域內(nèi)，兩個(gè)工作的功率管都工作在PWM狀態(tài)，它們同時(shí)開通， 同時(shí)關(guān)斷。觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)信號(hào)(a)單極性PWM控制各觸發(fā)信號(hào)(b)單極性PWM控制各觸發(fā)信號(hào)圖采用單極性PWM控制與采用雙極性PWM控制相比，電機(jī)電流波動(dòng)較小， 而且在雙極性PWM控制狀態(tài)下，6個(gè)功率開關(guān)管都處于開關(guān)狀態(tài)，功率損耗較大。 因此，為了減少電機(jī)電流波動(dòng)以及減少

14、控制器的功耗， 本電機(jī)控制器采用單極性 的PWM控制技術(shù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用速度環(huán)和電流環(huán)以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙閉環(huán)控制，其外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)采用電流環(huán)，速度反饋是通過檢測(cè)霍爾位置傳感器信息計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電流反饋是通過采樣電機(jī)的相電流來實(shí)現(xiàn)的。給定速度與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度 調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考值，它與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成相應(yīng)的PWM占空比，最后經(jīng)過電壓逆變將電源電壓加到電機(jī)三相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。圖系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，本控制器在電機(jī)速度調(diào)節(jié)策略方面，對(duì)傳統(tǒng) 的PID控制進(jìn)行了改進(jìn)，采用了積分分離PID控制作為速度調(diào)節(jié)器的控

15、制算法。 由于在數(shù)字增量式PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，雖然積分環(huán)節(jié)可以消除靜差、提高精度, 但加入積分校正后，會(huì)造成積分積累，產(chǎn)生過大的超調(diào)量，在電機(jī)的運(yùn)行過程中， 這是不理想的。所以，為了減少在電機(jī)運(yùn)行過程中積分校正對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能 的影響，需要在電機(jī)的啟停階段或大幅度加減速時(shí)，采用積分分離PID控制算法, 即只加比例、微分運(yùn)算，取消積分校正。而當(dāng)電機(jī)的實(shí)際速度與給定速度的偏差 小于一定值時(shí)，則恢復(fù)積分校正作用。利用DSP的邏輯運(yùn)算功能；可以很方便地確定積分分離PID控制的進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的積分分離PID速度控制， 彌補(bǔ)模擬PID調(diào)節(jié)控制的不足， 改善系統(tǒng)的 控制性能， 減少超調(diào)量，縮短速度調(diào)整時(shí)間。電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)，就是將速度調(diào)節(jié)得到的參考電流與實(shí)際檢測(cè)到的電 機(jī)電流進(jìn)行比較，它們的偏差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到的控制量用于改變PWM的占 空比。簡(jiǎn)要介紹一下整個(gè)速度控制系統(tǒng)的原理： 首先，