直流無刷電動機(jī)及其調(diào)速控制

1、直流無刷電動機(jī)及其調(diào)速控制1直流無刷電動機(jī)的發(fā)展概況與應(yīng)用有刷直流電動機(jī)從19世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)一直在運動控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，有機(jī)械接觸電刷-換向器一直是電流電機(jī)的一個致命弱點，它降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場合中的使用。為了取代有刷直流電動機(jī)的機(jī)械換向裝置，人們進(jìn)行了長期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流電動機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無刷直流電機(jī)的基本思想。1955年美國的D.Harrison等首次申請了用晶體管換相線路代替有刷直流電動機(jī)的機(jī)械電刷的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷直流電動機(jī)的誕生。無刷直流電動機(jī)

2、的發(fā)展在很大程度上取決于電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在無刷直流電動機(jī)發(fā)展的早期，由于當(dāng)時大功率開關(guān)器件僅處于初級發(fā)展階段，可靠性差，價格昂貴，加上永磁材料和驅(qū)動控制技術(shù)水平的制約，使得無刷直流電動機(jī)自發(fā)明以后的一個相當(dāng)長的時間內(nèi)，性能都不理想，只能停留在實驗室階段，無法推廣使用。1970年以后，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）相繼問世，加之高磁能積永磁材料（如SmCo、NsFeB）陸續(xù)出現(xiàn)，這些均為無刷直流電動機(jī)廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會上，前聯(lián)邦德國的MANNESMANN公司正式推出了 MAC無刷直流電動機(jī)

3、及其驅(qū)動器，引起了世界各國的關(guān)注，隨即在國際上掀起了研制和生產(chǎn)無刷直流系統(tǒng)的熱潮，這業(yè)標(biāo)志著無刷直流電動機(jī)走向?qū)嵱秒A段。隨著現(xiàn)代永磁材料和相關(guān)電子元器件的性能不斷提高，價格不斷下降，無刷電動機(jī)的到了快速發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如，在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人以及醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、輕紡機(jī)械和家用電器等小功率場合，計算機(jī)的硬盤驅(qū)動和軟盤驅(qū)動器器中的主軸電動機(jī)、錄像機(jī)中的伺服電動機(jī)等。2直流無刷電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理2.1直流無刷電動機(jī)的結(jié)構(gòu)直流無刷電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示。圖2-1 無刷直流電機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖無刷直流電動機(jī)由它是由電動機(jī)本體、位置檢測器、逆變器和控制器組成。無刷直

4、流電動機(jī)最初的設(shè)計思想來自普通的有刷直流電動機(jī)，不同的是將直流電動機(jī)的定子、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，有多相對稱繞組。原直流電動機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器所代替。所以無刷直流電動機(jī)的電機(jī)本體實際上是一種永磁同步電機(jī)。由于無刷直流電動機(jī)的電機(jī)本體為永磁電機(jī)，所以無刷直流電動機(jī)也稱為永磁無刷直流電動機(jī)。目前，無刷直流電動機(jī)的逆變器主開關(guān)一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主電路已有集成的功率模塊（PIC）和智能功率模塊（IPM），選用這些模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性。位置檢測器的作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對與定子繞組的位置信號，為逆變器

5、提供正確的換相信息。位置檢測包括有位置傳感器和無位置傳感器檢測兩種方式。控制器是無刷直流電動機(jī)正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，主要用于實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制、電機(jī)開環(huán)調(diào)速以及實現(xiàn)短路、過流、過電壓和欠電壓等故障保護(hù)電路。2.2直流無刷電動機(jī)的工作原理普通直流電動機(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)，需要通過換向器和電刷不斷的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)矩驅(qū)動電動機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)。無刷直流機(jī)為了去掉電刷，將電樞放到定子上去，而轉(zhuǎn)子做成永磁體，這樣的結(jié)構(gòu)正好與普通電動機(jī)相反。然而即使這樣改變還不夠，因為定子上的電樞

6、通入直流電以后，只能產(chǎn)生不變的磁場電動機(jī)依然轉(zhuǎn)不起來。為了使電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來，必須使定子電樞各相繞組不斷地?fù)Q相通電，這樣才能使定子磁場隨著轉(zhuǎn)子的位置不斷地變化，使定子磁場與轉(zhuǎn)子永磁磁場始終保持90o左右的空間角，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在換相的過程中，定子各項繞組在工作氣隙中所形成的旋轉(zhuǎn)磁場是跳躍式運動。這種旋轉(zhuǎn)磁場在一周有三種狀態(tài)，每種狀態(tài)持續(xù)120o。它們跟蹤轉(zhuǎn)子，并與轉(zhuǎn)子的磁場相互作用，能夠產(chǎn)生推動轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩。下面以三相定子繞組接成星形為例說明其驅(qū)動原理。圖2-2為無刷直流電動機(jī)圖2-2 無刷直流電動機(jī)組成原理圖組成原理圖。驅(qū)動電路開關(guān)管的控制原理可用圖2-3加以說明。（圖中假設(shè)

7、轉(zhuǎn)子只有一對磁極，定子繞組A、B、C三相對稱，按每極每相60o相帶分布）。 （a）A相正向通電，B相反向通電 （b）轉(zhuǎn)過60o （c）繼續(xù)旋轉(zhuǎn) （d）A相正向通電，C相反向通電轉(zhuǎn)過60o （e）B相正向通電，C相反向通電 （f）轉(zhuǎn)過60o （g）B相正向通電，A相反向通電 （h）轉(zhuǎn)過60o圖2-3 無刷直流機(jī)轉(zhuǎn)子位置與換相的關(guān)系假設(shè)當(dāng)轉(zhuǎn)子處于圖2-3（a）位置時為0o ，相帶A、B、C在N級下，相帶A、B'、C在S級下，這時A相正向通電，B相反向通電，C相不通電，各相通電波形見圖1-3，產(chǎn)生的定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子逆時針恒速轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)過60o角后，轉(zhuǎn)子位置如圖（b）所示。這

8、時如果轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)下去就進(jìn)入圖（c）所示的位置，這樣就會使同一磁極下的電樞繞組中有部分導(dǎo)體的電流方向不一致，它們互相抵消，削弱磁場，使電磁轉(zhuǎn)矩減小。因此，為了避免出現(xiàn)這樣的結(jié)果，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖（b）的位置時，就必須換相，使B相斷電，C相反相通電。轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過60o角后到圖（d）所示位置。根據(jù)上面講的道理必須要進(jìn)行換相，即A相斷電，B相正相通電，（e）所示。轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過60o角，如圖（f）所示位置，再進(jìn)行換相，使C相斷電，A相反向通電，如圖（g）所示。這樣如此下去，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60o角就換相一次，相電流按圖所示的順序進(jìn)行斷電和通電，電動機(jī)就會平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)下去。3直流無刷電動機(jī)的的運行特性和及基于DS

9、P控制器調(diào)速原理設(shè)轉(zhuǎn)子永久磁鐵所產(chǎn)生的磁場在電動機(jī)氣隙中是按正弦分布，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為時，。當(dāng)定子繞組某相通過直流電流時，電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為： （1）式中,為相導(dǎo)體數(shù)； 為導(dǎo)體的有效長度； 為氣隙磁通最大值； r為氣隙半徑； I為定子繞組相電流。無刷直流機(jī)的電壓平衡方程式為： （2） （3）（4）則可寫出機(jī)械特性方程式為: （5）式中，為電動機(jī)轉(zhuǎn)速，； U為直流電源電壓，V； 為功率晶體管壓降，V； 為電動機(jī)轉(zhuǎn)矩平均值，； R為電動機(jī)內(nèi)阻，； 、分別為電勢系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)。和直流電動機(jī)一樣，當(dāng)U變化時即改變，電動機(jī)可以進(jìn)行無級調(diào)速。但實際的無刷直流機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是由電子換向線路和轉(zhuǎn)子位置檢測器代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流

10、電動機(jī)的機(jī)械換向裝置而組成的，把檢測到的端電壓信號送到DSP，計算出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，再與給定的轉(zhuǎn)速比較，輸出PWM信號，控制開關(guān)管的通斷，從而控制電動機(jī)電流（電壓）大小，是電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化。其調(diào)速原理是通過電子開關(guān)把交變的方波電流送入定子繞組，由開關(guān)頻率的變化引起電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。其控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-1。整流濾波電路控制電路供電電路控制電路驅(qū)動電路三相逆變電路BLDCM電流檢測電路轉(zhuǎn)子位置檢測電路調(diào)節(jié)及顯示圖 3-1 系統(tǒng)控制框圖4直流無刷電動機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的特點（1）稀土永磁方波同步電動機(jī)通入逆變器供給的、與電動勢同相的120°方波電流，就組成了無刷直流電動機(jī)。它比正弦波電動機(jī)出力大，且理論上無電磁轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象。（2）無刷直流電動機(jī)調(diào)速原理和一般直流電動機(jī)相同，組成的調(diào)速系統(tǒng)類似，并且可以借鑒傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，因此，容易被人們接受和普及，更適合我國的國情。（3）