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2.1 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。2.2 無刷直流電機(jī)的組成2.2.1 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)

2、展過程基本上經(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。2.2.2 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、過壓、過熱等保護(hù)

3、。控制電路最初采用模擬電路，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）、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、金屬柵雙

4、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。2.2.3 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)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

5、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。2.3 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10.6A、額定轉(zhuǎn)矩688mNm、堵轉(zhuǎn)電流139A、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩11000mNm、空載電流740mA、空載轉(zhuǎn)速5400rpm、轉(zhuǎn)矩常數(shù)85mNm/A、速度常數(shù)113rpm/V、機(jī)械時(shí)間常

6、數(shù)4.3ms、最大效率86%、相間電阻0.37Ohm、相間電感0.27mH、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120。，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2.3.1 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)單元將電源功率以一定的邏輯分配關(guān)系分配給電機(jī)

7、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?；魻栁恢脵z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2.3.1 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ㄗ酉嚯娏麟S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

8、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2.3.2 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16 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Q1Q4Q1Q6Q3Q6Q3Q2 Q5Q2Q5Q4。表2.3.1 列出了電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)三相逆變器的通電順序表2.3.1 電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)的

9、通電規(guī)律注：表中“+”表不正向通電，“一”表不反向通電。2.4 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+2LSpIS+2ES+2VSW=2UR+2UL+2ES+2VSW式中，UR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=NLpt15 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 為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，n 為

10、電機(jī)轉(zhuǎn)速。所以，可得到電機(jī)轉(zhuǎn)速為：n=U-2UR-2UL-2VSW2CeB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2.4.1(a)中，當(dāng)開關(guān)管Q1柵極輸入U(xiǎn)

11、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Ql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2.4.1(b)所示。圖2.4.1 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=t1US+0t1+t2=t1TUS=US式中， 占空比。 =t2T （2.4）占空比 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。 的變化范圍為O 1。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

12、占空比 的大小。改變 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)速原理。在PWM 調(diào)速時(shí)，占空比 是一個(gè)重要參數(shù)。由式(24)及T=t1+t2 可知，有三種方法可以改變占空比 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。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

13、少。所以在本控制器的電機(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2.4.2(a)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。 (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，

14、為了減少電機(jī)電流波動(dòng)以及減少控制器的功耗，本電機(jī)控制器采用單極性的PWM控制技術(shù)。2.5 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2.5.1 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

15、用了積分分離PID控制作為速度調(diào)節(jié)器的控制算法。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