畢業(yè)論文無(wú)位置傳感器BLDC 換相檢測(cè)方法研究

1、 題目無(wú)位置傳感器BLDC 換相檢測(cè)方法研究專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓名 指導(dǎo)教師學(xué)院名稱電 氣 信 息 學(xué) 院 xxxx 年 xx 月 xx 日無(wú)位置傳感器 BLDC 換相檢測(cè)方法研究Research of Sensorless Commutation for Brushless DC Motor學(xué)生姓名 : 指導(dǎo)教師 :摘要無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（Brushless DC Motor,簡(jiǎn)稱 BLDC）是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品， 它具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、制造成本低、使用靈活性大等優(yōu)勢(shì)，因而越來(lái)越 多地受到人們的青睞。轉(zhuǎn)子位置傳感器是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為脆弱的部分，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)

2、雜 性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)還需要占據(jù)一定的空間位置。因此，取代 機(jī)械式位置傳感器而采用其他方法檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，能擴(kuò)大無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展前 景。無(wú)位置傳感器 BLDC 運(yùn)行實(shí)際上就是要求在不采用機(jī)械傳感器的條件下，利用電機(jī)的 電壓和電流信息獲取轉(zhuǎn)子磁極的位置，目前比較成熟的無(wú)位置傳感器 BLDC 運(yùn)行控制方法 有：反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法、定子三次諧波檢測(cè)法和續(xù)流二極管電流通路檢測(cè)法。本文首先介紹無(wú)刷直流電機(jī)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，詳細(xì)敘述無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理和 換相過(guò)程。對(duì)目前存在的多種無(wú)位置傳感器換相檢測(cè)方法，通過(guò)比較其優(yōu)缺點(diǎn)，本文最終 選用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法，詳細(xì)敘述其檢測(cè)

3、原理，并對(duì)轉(zhuǎn)子誤差產(chǎn)生原因和換相超前、 滯后兩種情況進(jìn)行定性分析。對(duì)由于換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行分析，并提出抑制換相轉(zhuǎn)矩 脈動(dòng)的方法。最后在 Simulink 環(huán)境下建立基于反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的換相檢測(cè)模塊，并對(duì)其進(jìn) 行分析。關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)； 無(wú)位置傳感器； 換相檢測(cè)； 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法； SimulinkAbstractBrushless DC Motor (Brushless DC Motor, referred BLDC) is a typical mechatronic product, the superiority of it are high reliability, lon

4、g life, fast response, low manufacturing cost and great flexibility of use, therefore, it favored by more and more people.The most vulnerable part of the entire drive system is rotor position sensor, not only increases the cost and complexity of the system, but also reduces the system's reliabil

5、ity and performance, at the same time, it needs to occupy some space location. Therefore, instead of the mechanical position sensors, the other methods to detect the rotor position signals will expand the development prospects of the brushless DC motor. On the condition of without using the mechanic

6、al sensor, sensorless BLDC operation is actually get the rotor location by using the motor voltage and current information. Nowadays, the relatively mature sensorless BLDC operation control methods are: the zero cross detection of Back Electromotive Force, the detection method of stator three harmon

7、ic and the freewheeling diode current path detection method.This paper describes research status both at home and abroad about brushless DC motor firstly, and detail the working principle and brushless DC motor commutation. By introducing a variety of sensorless commutation detection methods and com

8、paring their advantages and disadvantages, the zero cross detection of Back Electromotive Force is the final choice in this paper. Detailing its detection principle. The paper also gives the qualitative analysis of the rotor position detection error and discusses specifically on the two situation: c

9、ommutation leading and delaying. Based on the analysis of the commutation torque ripple , the commutation torque ripple suppression method is put forward. Finally, establish and analysis the commutate detection module which is based on the zero cross detection of Back Electromotive Force in the Simu

10、link environment.Keywords: Brushless DC Motor; Sensorless; Commutate detection; Back electromotive force zero-crossing detecting; Simulink目錄摘要.IAbstract. II1 緒論. 11.1 選題背景與意義. 11.2 無(wú)刷直流電機(jī)的研究. 21.3 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法綜述. 31.4 本文研究?jī)?nèi)容. 42 反電動(dòng)勢(shì)法轉(zhuǎn)子位置檢測(cè). 62.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的組成. 62.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理. 62.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型. 92.

11、4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì). 102.5 利用反電動(dòng)勢(shì)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置.113 無(wú)位置傳感器 BLDC 換相分析163.1 換相點(diǎn)的確定. 163.2 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)誤差產(chǎn)生原因. 163.3 換相分析. 183.4 延遲時(shí)間設(shè)置方法.193.5 濾波的相移修正方法. 214 換相與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng). 244.1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的定義及引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因. 244.2 換相過(guò)程中的相電流和轉(zhuǎn)矩. 254.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)換相的影響. 264.4 換相對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響.284.5 轉(zhuǎn)速對(duì)換相時(shí)間的影響. 304.6 換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制. 315 基于 Matlab/Simulink 的仿真分析325.1 Matlab

12、/Simulink 仿真軟件簡(jiǎn)介 325.2 基于反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法的仿真設(shè)計(jì).335.3 結(jié)果分析. 356 結(jié)論. 37致謝.39參考文獻(xiàn).401 緒論無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最初的設(shè)計(jì)思想來(lái)自普通的有刷直流電動(dòng)機(jī)，不同的是將直流電動(dòng)機(jī) 的定、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對(duì) 稱繞組。原直流電動(dòng)機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器所代替。所以無(wú)刷 直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體實(shí)際上是一種永磁同步電機(jī)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)出力大、控制簡(jiǎn)單、成本低，其調(diào)速性能已能達(dá)到低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于3%、調(diào)速比大于 1:10000 的水平，因此越來(lái)越多的受到人們的青睞。1.1 選題背景

13、與意義 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，有刷直流電動(dòng)機(jī)從 19 世紀(jì) 40 年代出現(xiàn)以來(lái)，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)一直在運(yùn)動(dòng)控制 領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，有機(jī)械接觸的電刷-換向器結(jié)構(gòu)一直都是電流電機(jī)的一個(gè)致命 弱點(diǎn)，它降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場(chǎng)合中的應(yīng)用。為了取代有刷直流電動(dòng)機(jī) 的機(jī)械換向裝置，人們進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展在很大程度上取決于電力電子技術(shù)的進(jìn)步。在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 發(fā)展的早期，由于當(dāng)時(shí)大功率開關(guān)器件僅處于初級(jí)發(fā)展階段，可靠性差，價(jià)格昂貴，加上 永磁材料和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)水平的制約，使得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)自發(fā)明以后的一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的

14、時(shí) 期內(nèi)，性能都不理想，只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無(wú)法推廣使用。1970 年以來(lái)，隨著電力半 導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的全控型半導(dǎo)體功率器件（如 GTR、MOSFET、IGBT 等） 相繼問(wèn)世，加之高磁能級(jí)永磁材料（如 SmCo、NdFeB 等）陸續(xù)出現(xiàn)，這些均為無(wú)刷直流 電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)因而得到了迅速的發(fā)展1。無(wú)刷直流電機(jī)是由電動(dòng)機(jī)本體、位置檢測(cè)器、逆變器和控制器組成的自同步電動(dòng)機(jī)系 統(tǒng)或自控式變頻同步電動(dòng)機(jī)。位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)，控制器對(duì)轉(zhuǎn)子位置信 號(hào)進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)，開關(guān)信號(hào)以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開關(guān) 器件，將電源功率

15、以一定的邏輯關(guān)系分配給電動(dòng)機(jī)定子各相繞組，式電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷 的轉(zhuǎn)矩。由于采用電力電子器件代替機(jī)械換向器，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)克服了有刷直流電動(dòng)機(jī) 的致命缺點(diǎn)。與有刷直流電動(dòng)機(jī)相比，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有以下特點(diǎn)：（1）可靠性高，壽命長(zhǎng)。它的工作期限主要取決于軸承及其潤(rùn)滑系統(tǒng)。高性能的無(wú) 刷直流電動(dòng)機(jī)工作壽命可達(dá)數(shù)十萬(wàn)小時(shí)。而有刷直流電動(dòng)機(jī)壽命一般較短，在高溫環(huán)境下甚至只有幾分鐘。（2）不必經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)和修理。（3）無(wú)電氣接觸火花、無(wú)線電干擾少，可工作于高真空、不良介質(zhì)環(huán)境。（4）可在高轉(zhuǎn)速下工作，專門設(shè)計(jì)的高速無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘 10 萬(wàn)轉(zhuǎn)以上。（5）機(jī)械噪聲低。（6）發(fā)熱的繞組安放在

16、定子上，有利于散熱，便于溫度監(jiān)控，易得到更高的功率密 度。（7）必須與一定的電子換相線路配套使用，從而使總體成本增加，但從控制的角度 看，有更大的使用靈活性。1.2 無(wú)刷直流電機(jī)的研究 現(xiàn)階段，雖然各種交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正受到普遍關(guān)注。自 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、 辦公自動(dòng)化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來(lái)越趨向于高效率化、小型化及高 智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)， 無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長(zhǎng)。尤其在節(jié)能已成為時(shí)代主題的今天，無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī)高效率

17、的特點(diǎn)更顯示了其巨大的應(yīng)用價(jià)值。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用了永磁磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用 于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；對(duì)于恒功率運(yùn)行，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)雖然不能直接改變磁通實(shí)現(xiàn)弱磁控制， 但通過(guò)控制方法的改進(jìn)也可以獲得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矯頑力高、剩磁 大，可產(chǎn)生很大的氣隙磁通，這樣可以大大縮小轉(zhuǎn)子半徑，減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因而在 要求有良好的靜態(tài)特性和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等應(yīng)用中， 無(wú)刷直流電機(jī)比交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)顯示了更多的優(yōu)越性。目前無(wú)刷直流電機(jī)的 應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，并日趨廣泛，特別是在家用電器、電動(dòng)汽車、航空 航天等領(lǐng)域已

18、得到大量應(yīng)用。目前，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究主要集中在以下方面：（1）無(wú)機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。轉(zhuǎn)子位置傳感器是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為脆弱的 部件，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)還需 要占據(jù)一定的空間位置。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，例如空調(diào)器和計(jì)算機(jī)外設(shè)都要求無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運(yùn)行。（2）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制。存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的固有缺點(diǎn)，特別是隨著轉(zhuǎn)速 升高，換相導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加劇，并使平均轉(zhuǎn)矩顯著下降。減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)式提高無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī)性能的重要方面。（3）智能控制。隨著信息技術(shù)和控制理論的發(fā)展，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中，一個(gè)新的發(fā) 展方向就是先進(jìn)控制理論，

19、尤其是智能控制理論的應(yīng)用。目前，專家系統(tǒng)、模糊邏輯控制 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是三個(gè)最主要的理論和方法。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟 經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則有機(jī)地融入到傳動(dòng)控制策略當(dāng)中，現(xiàn)已成功地應(yīng)用到許多方面。隨著無(wú)刷直流 電動(dòng)機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，智能控制技術(shù)將受到更廣泛的重視。1.3 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法綜述 位置檢測(cè)器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要組成部分，包括有位置傳感器檢測(cè)和無(wú)位置傳感器檢測(cè)兩種方式。最常見的位置傳感器是霍爾開關(guān)式位置傳感器，目前比較成熟的無(wú)轉(zhuǎn)子 位置傳感器控制方法主要有反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法和定子三次諧波檢測(cè)法等。在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，常用的位置傳感器主要有以下幾種類型：（1）電磁式位置傳感

20、器。利用電磁效應(yīng)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，具有信號(hào)大、工作可靠、 壽命長(zhǎng)、適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)，多用于航空航天領(lǐng)域，但這種傳感器體積較 大，信噪比較低，同時(shí)其輸出波形為交流，一般需經(jīng)整流、濾波方可使用，因而限制了它 在普通條件下的應(yīng)用。（2）磁敏式位置傳感器。由霍爾元件或霍爾集成電路構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、 成本低，是目前在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器。（3）光電式位置傳感器。由裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的遮光盤和固定不動(dòng)的光電開關(guān)組成， 遮光盤上開有 180°電角度的扇形開口，扇形開口的數(shù)目等于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的 極對(duì)數(shù)。光電開關(guān)通常采用將發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一起的

21、光斷續(xù)器。常用的無(wú)位置傳感器位置檢測(cè)方法有：（1）反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法。通過(guò)測(cè)量不導(dǎo)通相的端電壓，與電機(jī)的繞組中點(diǎn)電壓進(jìn)行比 較，以得到反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。反電動(dòng)勢(shì)法的缺陷是當(dāng)電機(jī)在靜止或低速運(yùn)行時(shí)，反電動(dòng) 勢(shì)為 0 或太小，因而無(wú)法利用。（2）續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)法。通過(guò)對(duì)逆變器開關(guān)管加以特殊時(shí)序的斬波控制信 號(hào)，使電機(jī)繞組的續(xù)流電流沿著特定的回路流通。當(dāng)斷開相繞組的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零時(shí)，與斷開相開關(guān)管并聯(lián)的續(xù)流二極管中將流過(guò)續(xù)流電流，通過(guò)對(duì)該續(xù)流二極管導(dǎo)通與否的檢測(cè)就 可以確定出繞組反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，從而得到電機(jī)的轉(zhuǎn)子信號(hào)。這種檢測(cè)方法實(shí)際檢測(cè)的 也是繞組的反電動(dòng)勢(shì)，但是檢測(cè)的靈敏度相對(duì)較高，在電機(jī)額

22、定轉(zhuǎn)速的 2%以上有效，起動(dòng) 容易，調(diào)速比大。缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)電路稍復(fù)雜一些。（3）三次諧波檢測(cè)法。對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，繞組反電動(dòng)勢(shì)為梯形波。經(jīng)過(guò) Fourier 級(jí)數(shù)分解，可以發(fā)現(xiàn)除了基波分量以外，還含有較大的三次諧波分量。三次諧波分量的一 個(gè)周期對(duì)應(yīng)基波分量的 120°電角度，其相鄰兩次過(guò)零點(diǎn)間隔 60°電角度，正好與電機(jī)相 鄰兩次換向的時(shí)間間隔相同，只是相位相差 90°電角度，因此，將反電動(dòng)勢(shì)的三次諧波分 量移相 90°電角度以后，得到的信號(hào)就可以作為轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，其每一個(gè)過(guò)零點(diǎn)均對(duì)應(yīng)著 一個(gè)電流的換相點(diǎn)1。（4）瞬時(shí)電壓方程法。利用電機(jī)各相瞬時(shí)電壓和電

23、流方程，實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)由靜止到 正常運(yùn)轉(zhuǎn)任意時(shí)刻轉(zhuǎn)子的位置，控制電機(jī)的運(yùn)行。該方法不需專門的起動(dòng)線路，電路簡(jiǎn)單， 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。但對(duì)電機(jī)本體的數(shù)學(xué)模型依賴性大，當(dāng)電機(jī)參數(shù)因溫度變化發(fā)生漂移時(shí)，容 易造成建模誤差，是控制精確性受到影響；另外，由于在線計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量很大，考慮 到轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，必須采用具有快速運(yùn)算能力的 DSP 和高速 A/D 轉(zhuǎn)換器。這種 方法還適用于正弦波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。1.4 本文研究?jī)?nèi)容 本文主要研究無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基本工作原理及其換相過(guò)程，深入探討反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法，主要研究控制算法，實(shí)現(xiàn)基于反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制 系統(tǒng)。所要做的工作具體如下：

24、（1）在了解無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)換相檢測(cè)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析無(wú)刷 直流電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理。（2）充分理解反電動(dòng)勢(shì)法的優(yōu)勢(shì)及運(yùn)用原理，深入探討反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法的幾種常 用實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)各種實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行理論分析。（3）找出造成無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制中造成轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)誤差的原因并 進(jìn)行分析。在分析無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換相過(guò)程、給出換相過(guò)程各狀態(tài)電路結(jié)構(gòu)和電壓平衡 方程的基礎(chǔ)上，對(duì)由于轉(zhuǎn)子位置誤差引起的電動(dòng)機(jī)超前和滯后換相進(jìn)行理論分析，并提出 解決方案。（4）對(duì)換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行深入分析，并提出抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的解決方案。（5）在 Simulink 環(huán)境下建立基于反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法

25、的換相檢測(cè)模塊，并進(jìn)行分析。2 反電動(dòng)勢(shì)法轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)2.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的組成無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的組成原理框圖如圖 2-1 所示。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種自控變頻的永 磁同步電動(dòng)機(jī),就其基本組成結(jié)構(gòu)而言,可以認(rèn)為是由電力電子開關(guān)逆變器、永磁同步電動(dòng) 機(jī)和磁極位置檢測(cè)電路三者組成的“電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”。電機(jī)本體的電樞繞組為三相星形連接，位置傳感器與電機(jī)本體同軸，控制電路對(duì)位置 信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后控制逆變器的功率開 關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。圖 2-1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成2.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理以圖 2-2 所示的無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)

26、明無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。電機(jī)本體的電 樞繞組為三相星形連接，控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng) 驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。圖 2-2 三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到圖 2-3（a）所示的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯 變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使 VT1、VT6 導(dǎo)通，即 A、B 兩相繞組通電，電流從電源的正極流出， 經(jīng) VT1 流入 A 相繞組，再?gòu)?B 相繞組流出，經(jīng) VT6 回到電源的負(fù)極。電樞繞組在空間產(chǎn) 生的磁動(dòng)勢(shì) Fa 如圖 2-3（a）所示，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)

27、子在空間轉(zhuǎn)過(guò) 60°電角度，到達(dá)圖 2-3（b）所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的 信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使 VT1、VT2 導(dǎo)通，A、C 兩相繞組通電，電流從 電源的正極流出，經(jīng) VT1 流入 A 相繞組，再?gòu)?C 相繞組流出，經(jīng) VT2 回到電源的負(fù)極。 電樞繞組在空間產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì) Fa 如圖 2-3（b）所示，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的 轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò) 60°電角度，逆變器開關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯 為 VT1、VT6 ® VT1、VT2 ® VT3、VT2 ® VT3、VT4

28、74; VT5、VT4 ® VT5、VT6 ® VT1、VT6。在此期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。在圖 2-3（a）到圖 2-3（b）的 60°電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)沿順時(shí)針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而定 子合成磁場(chǎng)在空間保持圖 2-3（a）中 Fa 的位置靜止。只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)連續(xù)旋轉(zhuǎn) 60°電角 度，到達(dá)圖 2-3（b）所示的 Fr 位置時(shí)，定子合成磁場(chǎng)才從圖 2-3（a）的 Fa 位置跳躍到圖 2-3（b）中的 Fa 位置。可見，定子合成磁場(chǎng)在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn) 磁場(chǎng)，每個(gè)步進(jìn)角是 60°電角度。圖

29、2-3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò) 60°電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場(chǎng)的磁狀態(tài)就 發(fā)生一次躍變?？梢?，電機(jī)有六種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時(shí)間對(duì) 應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 120°電角度。我們把無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式稱為兩相導(dǎo)通星形三 相六狀態(tài)，這是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最常用的一種方式。由于定子合成磁勢(shì)每隔 1/6 周期（60°電角度）跳躍前進(jìn)一步，在此過(guò)程中，轉(zhuǎn)子磁 極上的永磁磁勢(shì)卻是隨著轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，這兩個(gè)磁勢(shì)之間的平均速度相等，保持“同步”， 但是瞬時(shí)速度確是有差別的，二者之間的相對(duì)位置是時(shí)刻有變化的，所以，它們相互作

30、用 下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩除了平均轉(zhuǎn)矩外，還有脈動(dòng)分量2。2.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型兩相導(dǎo)通星形的三相六狀態(tài)工作方式控制簡(jiǎn)單、性能最好，所以這種工作方式最為常 用。下面以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式為例，分析無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)、反電動(dòng)勢(shì)以及電流是非正弦的，采用直、交軸坐標(biāo) 變換已不是有效的分析方法。因此我們直接利用電動(dòng)機(jī)本身的相變量來(lái)建立數(shù)學(xué)模型。為了簡(jiǎn)明起見，現(xiàn)做如下假設(shè)：（1）電動(dòng)機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間呈梯形（近似為方波）分部。（2）定子齒槽的影響忽略不計(jì)。（3）電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁通的影響忽略不計(jì)。（4）忽略電機(jī)中的磁滯和渦流損耗。（5）三相繞組完全對(duì)稱。

31、由于轉(zhuǎn)子的磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，因此定子繞組的自感和互感為常數(shù)，則相繞組的電壓平衡方程可表示為：éu a ùé r00 ù éia ùé LMM ùéia ùé e a ùêúêú êúêú d êúêúêu b ú = ê 0r0 ú êib ú + ê MLM ú d

32、têib ú + ê eb ú（2-1）êëu c ûúëê 00r ûú ëêic ûúêë MML úûêëic úûêë ec ûú式中ua 、 ub 、 uc 定子相繞組電壓（V）。ia 、 ib 、 ic 定子相繞組電流（A）。ea 、 eb 、 ec 定子相繞組電動(dòng)勢(shì)（V）。 r 每相繞組的電阻（）。L 每

33、相繞組的自感（H）。M 每?jī)上嗬@組間的互感（H）。由于三相繞組為星形連接， ia + ib + ic = 0 ，因此 Mia + Mib + Mic = 0 ，所以式（2-1）可以變?yōu)椋?#233;ua ùér00ùéia ùéL - M00ùéia ùéea ùêu ú = ê0r0úêiú + ê0L - M0ú dêi ú + êe ú（2-2）ê b

34、 úêúê b úêú dt ê b úê b úëêuc ûúëê00r ûúëêic ûúêë00L - M úûêëic úûêëec ûú由此可得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的等效電路如圖 2-4 所示。圖中，Us 為直流側(cè)電壓，VT1VT6 為功率開關(guān)器

35、件，VD1VD6 為續(xù)流二極管，LM= L - M ,圖中標(biāo)出的相電流和相反電動(dòng)勢(shì)的方向?yàn)槠湔较颉D 2-4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的等效電路式（2-2）所代表的是一個(gè)等價(jià)地實(shí)現(xiàn)相間磁路關(guān)系解耦的相電壓模型。但由于電機(jī)的 中性點(diǎn)是懸空的，各相之間仍不可避免的存在電路上的耦合關(guān)系。由于中性點(diǎn)電位不可直 接測(cè)取，因而相電壓實(shí)際上是未知量，已知量為直流側(cè)電壓（線電壓），所以該模型還不 能直接求解相電流的變化規(guī)律。2.4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)氣隙主磁通 Bd 的分布波形如圖 2-5（a）所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度為恒值 時(shí)，定子每相繞組反電動(dòng)勢(shì)波形與磁通繞組分布波形應(yīng)該一致，為了簡(jiǎn)化分析，可將它

36、近 似為梯形波。為了減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，反電動(dòng)勢(shì)波形的平頂寬度應(yīng)大于等于 120°電角度。通 常把相反電動(dòng)勢(shì)看成平頂寬為 120°電角度的梯形波，如圖 2-5（b）所示。三相繞組的反 電動(dòng)勢(shì)依次相差 120°電角度。設(shè)電樞繞組導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度為 La ，導(dǎo)體的線速度為 v ，則單根導(dǎo)體在氣隙磁場(chǎng)中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為：e = BdLa v （V）（2-3）v = pD n = 2 ptn （m/s）（2-4）式中D 電樞直徑。p 電機(jī)的極對(duì)數(shù)。t極距。6060n 電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為 r / min 。(a)(b)圖 2-5 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)氣隙磁密及反電動(dòng)勢(shì)波形如果電樞繞組每相串

37、聯(lián)匝數(shù)為Wj ，則每相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值為：pWj'Em = 2Wje =fdn = Cefdn （V）（2-5）15ai式中fd 每極磁通量，單位為Wb ，fd = BdaitLa 。''pWjCe 相電動(dòng)勢(shì)常數(shù)， Ce =。15aiai 計(jì)算極弧系數(shù)。2.5 利用反電動(dòng)勢(shì)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置1.用端電壓法檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn) 已經(jīng)給出兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路原理圖（圖 2-2），根據(jù)電路圖，可以列出電機(jī)三相繞組輸出端對(duì)直流電源地的電壓方程組為：ìïua0 = ia r + LMïïíub0 = ib r

38、 + LMïïïuc0 = ic r + LMîdia dt dib dt dic dt+ ea + uN+ eb + uN+ ec + uN（2-6）式中ua0 、 ub0 、 uc0 三相繞組輸出端對(duì)直流電源地的電壓。uN 三相繞組中性點(diǎn) N 對(duì)電源負(fù)極的電壓。 由于電機(jī)的一個(gè)通電周期有六種工作狀態(tài)，且每種狀態(tài)呈現(xiàn)一定的對(duì)稱性或重復(fù)性，因此我們只需對(duì)一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行分析。如圖 2-6 所示，設(shè) VT1 和 VT6 導(dǎo)通，即 A、B 相通電，C 相關(guān)斷。則 A、B 兩相電流大小相等，方向相反，而 C 相電流為 0。圖 2-6 A、B 相導(dǎo)通時(shí)的電流回路圖由

39、于 C 相電流為 0，則方程組（2-6）中的第三式可化簡(jiǎn)為：uc0 = ec + uN（2-7）由于 ia = -ib ，且在 ec 過(guò)零點(diǎn)處 ea + eb + ec = 0 。將方程組（2-6）中的第一、二式及式（2-7）相加，可得中性點(diǎn)電壓：u= 1 (uN3a0+ ub0+ uc0 )（2-8）所以，C 相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)方程為：ec = uc0 uN= uc0 1 (u3a0+ ub0+ uc0 )（2-9）同理可得 A、B 兩相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)方程，則反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)方程組為：ì1ïea = ua0 - 3 (ua0 + ub0 + uc0 )ï

40、39;íeb = ub0 -ïï1(ua0 + ub0 + uc0 ) 31（2-10）3ïec = uc0 -(ua0 + ub0 + uc0 )î由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用 PWM 調(diào)制方式，所以實(shí)際檢測(cè)電路中，需要將端電壓 ua0 、ub0 、 uc0 分壓后，經(jīng)濾波得到檢測(cè)信號(hào)U a0 、Ub0 、Uc0 ，如圖 2-7 所示。圖示電路是通過(guò) 檢測(cè)三相繞組輸出端對(duì)電源負(fù)極的電壓來(lái)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的，我們稱之為基于端電壓 的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)，或“端電壓法”。圖 2-7 基于端電壓的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路“端電壓法”的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)方程還有其他形式：

41、由于在 C 相繞組的反電動(dòng)勢(shì)過(guò) 零時(shí)， ia = -ib ， ea = -eb ，將方程組（2-6）中的第一、二式相加得到 uN 的另一種表達(dá)式：u= 1 (uN2a0 + ub0 )（2-11）據(jù)此可以得到三相繞組反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方程組的第二種形式為：ì1ïea = ua0 - 2 (ub0 + uc0 )ïïíeb = ub0 -ïï1(ua0 + uco ) 21（2-12）2ïec = uc0 -(ua0 + ub0 )î可以證明，檢測(cè)方程組（2-10）和（2-12）是完全等價(jià)的，但方程組（2-

42、10）中的中性點(diǎn)電壓計(jì)算具有普遍性，因此應(yīng)用更廣。另外，在 A、B 相導(dǎo)通，C 相關(guān)斷時(shí)，根據(jù)圖 2-4 可以列出方程組：ìïuN = U s - ua = U s - (ia r + LMídia dt+ ea )（2-13）ïu= -u= -(i r + Ldib + e )îï NbbM dtb由于在 C 相繞組的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零時(shí)， ia = -ib ， ea = -eb 故將方程組（2-13）中兩式相加可得：1uN =U s2（2-14）根據(jù)式（2-7）可知，當(dāng)不導(dǎo)通相（C 相）的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零時(shí)，uc0 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)方程組的

43、又一種形式為： U s2= 0 。因此可得ì1ïea = ua0 - 2 U sïï1íeb = ub0 -U sï2ï12ïec = uc0 -U sî（2-15）檢測(cè)方程組（2-15）雖然比較簡(jiǎn)單，但監(jiān)測(cè)的正確性受 PWM 控制方式的影響較大， 在一些 PWM 控制方式下并不適用，使用時(shí)必須加以注意。2. 用相電壓法檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)如果將圖 2-6 中檢測(cè)電阻的中性點(diǎn) O 與電源的負(fù)極斷開，就得到如圖 2-6 所示的檢測(cè) 電路。根據(jù)電路的對(duì)稱性原理，uo » uN ，所以圖 2-7 中檢測(cè)

44、信號(hào)U a 、Ub 、Uc 實(shí)際上反映 了相電壓 ua 、ub 、uc 的大小。我們將圖 2-8 所示的檢測(cè)電路稱為基于相電壓的反電動(dòng)勢(shì)檢 測(cè)電路，將這種檢測(cè)方法稱為“相電壓法”。圖 2-8 基于相電壓的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路由于某相繞組斷電時(shí)，該相繞組的相電壓大小等于其反電動(dòng)勢(shì)，所以采用圖 2-8 所示 的電路檢測(cè)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)方程組為：ìea = uaïïíeb = ubîec = uc（2-16）也就是說(shuō)，當(dāng)采用圖 2-8 所示的電路檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，直接檢測(cè)到物理量是相電壓， 因此不需要計(jì)算電機(jī)的中性點(diǎn)電壓。3 無(wú)位置傳感器 BLDC 換相

45、分析3.1 換相點(diǎn)的確定檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)后，再延遲 30°電角度即為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換相點(diǎn)。換相原 理如圖 3-1 所示，相應(yīng)的功率開關(guān)切換順序如表 3-1 所示。圖 3-1 延遲 30°電角度換相原理圖表 3-1 功率開關(guān)切換順序反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、靈活，但實(shí)際應(yīng)用的位置檢測(cè)信號(hào)通常是經(jīng)過(guò)阻容濾波 后得到的，其零點(diǎn)必然會(huì)產(chǎn)生相移，使位置檢測(cè)不準(zhǔn)確，在應(yīng)用中必須加以適當(dāng)?shù)南辔恍?正。3.2 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)誤差產(chǎn)生原因1.濾波電路移相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)誤差 在反電勢(shì)法檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的方法中,引入RC低通濾波電路對(duì)端電壓進(jìn)行濾波,以消除端電壓信號(hào)中的干擾信號(hào)。低通濾波電路的引入, 將會(huì)導(dǎo)致濾波后的電勢(shì)波 形移相。無(wú)刷直流電機(jī)采用兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)運(yùn)行，其換相時(shí)刻發(fā)生在反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)延時(shí) 30°電角度的地方，每?jī)蓚€(gè)換相時(shí)刻之間相隔60°電角度，故可以認(rèn)為電機(jī)的換相時(shí)刻發(fā) 生在反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)延遲a= 30° + k ´ 60°(k = 0,1,2L) 電角度的地方。當(dāng) k = 1 時(shí)，換相時(shí)刻 就發(fā)生在反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)延遲90°電角度處。根據(jù)這一特點(diǎn)，理論上