永磁無刷直流電動機

1、Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM BLDCMs)三相三狀態(tài)BLDCM 原理傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=1導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：B傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=0導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：B傳感器：傳感器：H1=1 H2=1 H3=0導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：C傳感器：傳感器：H1=0 H2=1 H3=0導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：C傳感器：傳感器：H1=0 H2=1 H3=1導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：A傳感器：傳感器：H1=0 H2=0 H3=1導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：A傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=1導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：B電動機電動機控制器控制器直流電源直流電源位置

2、傳感器位置傳感器輸出輸出無刷直流電機構(gòu)成框圖無刷直流電機構(gòu)成框圖1-1 基本原理基本原理永磁無刷直流電機系統(tǒng)圖永磁無刷直流電機系統(tǒng)圖控制電路對轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的信號進行邏輯變換控制電路對轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的信號進行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制后產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWMPWM信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大送至逆信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電動機各相繞組按一定變器各功率開關(guān)管，從而控制電動機各相繞組按一定順序工作，在電機氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場。順序工作，在電機氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場。工作原理工作原理磁極圖示位置磁極圖示位置位置信號位置信號邏輯變換邏輯變換V1、V6開通開通 A、B相導(dǎo)通

3、相導(dǎo)通I:E+-A-B-E- 電機順時針旋轉(zhuǎn)電機順時針旋轉(zhuǎn)磁極轉(zhuǎn)過磁極轉(zhuǎn)過60o圖示位置圖示位置位置信號位置信號邏輯變換邏輯變換V1、V2 開通開通 A、C相導(dǎo)通相導(dǎo)通I: E+-A-C-E- 電機順時針旋轉(zhuǎn)電機順時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60o，逆變器開關(guān)管換流一次、定子磁狀，逆變器開關(guān)管換流一次、定子磁狀態(tài)改變一次，電機有態(tài)改變一次，電機有6個磁狀態(tài)，三相各導(dǎo)通個磁狀態(tài)，三相各導(dǎo)通120o轉(zhuǎn)子磁場順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)、定子磁場隔轉(zhuǎn)子磁場順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)、定子磁場隔60O跳躍旋轉(zhuǎn)跳躍旋轉(zhuǎn)兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)時繞組和開關(guān)管導(dǎo)通順序表兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)時繞組和開關(guān)管導(dǎo)通順序表1-2 基本結(jié)構(gòu)基本

4、結(jié)構(gòu)1） 電機本體電機本體定子：與普通異步電機相同，鐵心中嵌三相定子：與普通異步電機相同，鐵心中嵌三相或多相對稱繞組或多相對稱繞組轉(zhuǎn)子：永磁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子：永磁結(jié)構(gòu)瓦形（徑向磁化）瓦形（徑向磁化） 矩形矩形(切向磁化切向磁化) 環(huán)形環(huán)形(徑向磁化徑向磁化) 1轉(zhuǎn)軸；轉(zhuǎn)軸；2前端蓋；前端蓋；3螺釘，螺釘，4墊片；墊片；5軸承；軸承；6定子；定子； 7一轉(zhuǎn)子；一轉(zhuǎn)子；8一傳感器轉(zhuǎn)子；一傳感器轉(zhuǎn)子；9后端蓋；后端蓋；10傳感器定子傳感器定子稀土水磁無刷直流電動機結(jié)構(gòu)示意圖稀土水磁無刷直流電動機結(jié)構(gòu)示意圖三相星形三狀態(tài)三相星形三狀態(tài)2) 逆變器：最常用的為逆變器：最常用的為三相星形六狀三相星形六狀態(tài)態(tài) 和和

5、三相星形三狀態(tài)三相星形三狀態(tài)三相星形六狀態(tài)三相星形六狀態(tài)3) 位置傳感器位置傳感器 磁敏式位置傳感器磁敏式位置傳感器 霍爾元件霍爾元件 電磁式位置信感器電磁式位置信感器 高頻線圈高頻線圈 光電式位置信感器光電式位置信感器 光耦合器件光耦合器件置于磁場中的載流體，如果電流方向與磁場垂直，則置于磁場中的載流體，如果電流方向與磁場垂直，則在垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加的橫向電場，在垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加的橫向電場，這個現(xiàn)象是霍普金斯大學(xué)研究生霍爾于這個現(xiàn)象是霍普金斯大學(xué)研究生霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，年發(fā)現(xiàn)的，后被稱為后被稱為?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作

6、基礎(chǔ)，是一種磁傳感器。是一種磁傳感器。可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。中使用?；魻杺鞲衅髦饕袃纱箢?，一類為霍爾傳感器主要有兩大類，一類為，一類為，一類為線性霍爾器件線性霍爾器件。Hall IC 安裝方式第一種方式：第一種方式：將霍爾元件粘貼于電機端蓋內(nèi)表面，將霍爾元件粘貼于電機端蓋內(nèi)表面，靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝著與電靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝著與電機軸同軸的永磁體。機軸同軸的永磁體。第二種方式：第二種方式：直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利

7、用電機轉(zhuǎn)子上氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機轉(zhuǎn)子上的稀土磁體主極作為傳感器的水滋體，根據(jù)霍爾元的稀土磁體主極作為傳感器的水滋體，根據(jù)霍爾元件的輸出信號即可判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置，將信號放件的輸出信號即可判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置，將信號放大處理后便可驅(qū)動逆變器工作。大處理后便可驅(qū)動逆變器工作。Hall IC 安裝示意圖1、三個霍爾元件在空間依次相差120o電角度2、傳感器磁極與轉(zhuǎn)子磁極同軸旋轉(zhuǎn)、極數(shù)相等、極性相對應(yīng)電磁式位置傳感器的定子由磁芯、高頻激磁繞組和輸出繞組組成，轉(zhuǎn)子由扇形磁芯和非導(dǎo)磁襯套組成定、轉(zhuǎn)子磁芯均由高頻導(dǎo)滋材料(如軟磁鐵氧體)制成。電機運行時，輸入繞組中通以高頻激磁電流，當轉(zhuǎn)子扇形

8、磁芯處在輸出繞組下面時，輸入和輸出繞組通過定、轉(zhuǎn)子磁芯耦臺，輸出繞組中則感應(yīng)出高頻信號，經(jīng)濾波整形和邏輯處理后，即可控制逆變器開關(guān)管。優(yōu)點1：電磁式傳感器具有較高的強度，可經(jīng)受較大的振動沖擊，故多用于航空航天領(lǐng)域。優(yōu)點2：電磁式位置傳感器輸出信號較大，一般不需要經(jīng)過放大便可直接驅(qū)動開關(guān)管，但因輸出電壓是交流，必須先整流。缺點：傳感器過于笨重復(fù)雜，因而大大限制了其在普通條件下的應(yīng)用。2 三相永磁無刷直流電動機基三相永磁無刷直流電動機基本公式與數(shù)學(xué)模型本公式與數(shù)學(xué)模型無刷直流電機的磁場、電勢、電流波形無刷直流電機的磁場、電勢、電流波形2-1 基本公式基本公式(三相六狀態(tài)三相六狀態(tài))1 1電樞繞組感

9、應(yīng)電勢電樞繞組感應(yīng)電勢單根導(dǎo)體在氣隙磁場中感應(yīng)電勢單根導(dǎo)體在氣隙磁場中感應(yīng)電勢e=BLv)/(60260smnpnDv如電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為如電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為W ，則每相繞組的感，則每相繞組的感應(yīng)電勢為應(yīng)電勢為又因為又因為所以：所以：對于三相六狀態(tài)電機對于三相六狀態(tài)電機,線電壓為：線電壓為：無刷直流電機電動勢公式與直流電機相似無刷直流電機電動勢公式與直流電機相似2 2電樞電流電樞電流電壓平衡方程式：電壓平衡方程式：電源電壓開關(guān)管的飽開關(guān)管的飽和管壓降和管壓降電阻壓降電樞電流為：電樞電流為：3. 3. 電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩所以： Tem=CTIa2-2 三相永磁無刷直流電動機數(shù)學(xué)模型三相永磁

10、無刷直流電動機數(shù)學(xué)模型定子相繞組電壓定子相繞組電流定子相繞組自感、互感定子相繞組電動勢微分算子：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mib電機負載時電樞磁場對主磁場的影響稱為電機負載時電樞磁場對主磁場的影響稱為電電樞反應(yīng)樞反應(yīng)。電摳反應(yīng)與磁路的飽和程度、轉(zhuǎn)向、電摳繞電摳反應(yīng)與磁路的飽和程度、轉(zhuǎn)向、電摳繞組聯(lián)結(jié)方式、導(dǎo)通順序和磁狀態(tài)角的大小有組聯(lián)結(jié)方式、導(dǎo)通順序和磁狀態(tài)角的大小有關(guān)。關(guān)。二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例對電樞反應(yīng)進二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例對電樞反應(yīng)進行分析行分析m增磁或去磁的數(shù)值等于增磁或去磁的數(shù)值等于電樞合成磁勢電樞合成磁勢Fa在轉(zhuǎn)

11、子磁極在轉(zhuǎn)子磁極軸線上的投影，其最大值為：軸線上的投影，其最大值為：相磁勢：相磁勢：電樞合成磁勢電樞合成磁勢:由于功率開關(guān)管只能單向?qū)?，所以由于功率開關(guān)管只能單向?qū)?，所以BLDCM反轉(zhuǎn)不能靠通以反向電壓實反轉(zhuǎn)不能靠通以反向電壓實現(xiàn)。只有靠控制繞組的導(dǎo)通順序來實現(xiàn)。只有靠控制繞組的導(dǎo)通順序來實現(xiàn)?，F(xiàn)。Hall ICPMPM正轉(zhuǎn)時相互位置關(guān)系正轉(zhuǎn)時相互位置關(guān)系uha=uhb=1uhc=0AB導(dǎo)通導(dǎo)通uha=uhc=0uhb=1AC導(dǎo)通導(dǎo)通反轉(zhuǎn)時相互位置關(guān)系反轉(zhuǎn)時相互位置關(guān)系uhb=uhc=1uha=0BC導(dǎo)通導(dǎo)通uha=uhc=0uhb=1AC導(dǎo)通導(dǎo)通永磁無刷直流電動機的機械特性與有刷直流電動

12、永磁無刷直流電動機的機械特性與有刷直流電動機的機械特性的表達式相同，機械特性較硬。機的機械特性的表達式相同，機械特性較硬。但由于公式是在忽略電樞繞組電感時得到的，故但由于公式是在忽略電樞繞組電感時得到的，故與實際電機的機械待性有一定區(qū)別。與實際電機的機械待性有一定區(qū)別。永磁無刷直流電動永磁無刷直流電動機的機械特性曲線機的機械特性曲線對比對比機械機械 特性曲線組特性曲線組調(diào)節(jié)特性曲線組換相前換相前:AC導(dǎo)通導(dǎo)通V1A C V2換相中：換相中：BC通、通、A續(xù)流續(xù)流V3B C V2ACV2 D4 A(A相續(xù)流)換相后：換相后：BC通通V3B C V2令令ia(tf )0，得，得ia降為零的時間降為

13、零的時間tf 此時此時在非換向時，即每個導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)，電機的電磁轉(zhuǎn)矩為在非換向時，即每個導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)，電機的電磁轉(zhuǎn)矩為5 永磁無刷直流電動機的控制器永磁無刷直流電動機的控制器5-1 開關(guān)主電路開關(guān)主電路濾波電路濾波電路實現(xiàn)直流電源的低通濾波，形成低內(nèi)阻硬持性直流電壓源，同時與繞組感性負載交換無功功率，其功能由大電容C2實現(xiàn)緩沖電路緩沖電路是為減少開關(guān)管承受的尖峰電壓。由R3、C3、D7組成RDC緩沖電路。緩沖電容C3應(yīng)選用高頻特性好的無感電容，D7應(yīng)選擇過渡正向電壓低、反向恢復(fù)時間短的快速恢復(fù)二極管。逆變電路：逆變電路：功率開關(guān)管T1T6、續(xù)流二極管D1D6功率開關(guān)管TlT6通常為GTR、功率MO

14、SFET、IGBT、GTO以及MCT等功率電子器件，也可以為功率集成電路PIC或智能功率模塊IPM5-2 驅(qū)動電路驅(qū)動電路 驅(qū)動電路驅(qū)動電路將控制電路的輸出信號進行功率放大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動信號。驅(qū)動電路的工作方式直接影響著開關(guān)管的一些參數(shù)和特性，從而影響著整個電機控制系統(tǒng)的正常工作。開關(guān)管的種類不同，對驅(qū)動信號的要求也不同，因而對應(yīng)的驅(qū)動電路也不同。常見集成驅(qū)動電路常見集成驅(qū)動電路 控制電路是無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：1)對對轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號、PWM調(diào)制信號、正反轉(zhuǎn)和停車信號進行邏輯綜合信號進行邏輯綜合,

15、 給驅(qū)動電路提供各開關(guān)管的斬波和選通信號, 實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)及停車控制。2)產(chǎn)生PWM調(diào)制信號，使電機的電壓隨給定速度信號而自動變化，實現(xiàn)電機開環(huán)調(diào)速。3)對電動機進行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能。4)實現(xiàn)短路、過流和欠壓等故障保護功能等。控制電路的形式:1、分立元件全模擬電路經(jīng)濟型2、專用集成控制電路 規(guī)?；?、專用3、數(shù)?；旌峡刂齐娐?半數(shù)字化 (PID)4、全數(shù)字控制電路 高性能(MCU DSP)eg1: 以以8098單片機為核心的數(shù)字式控制電路單片機為核心的數(shù)字式控制電路輸入信號輸入信號：轉(zhuǎn)子位置傳感器送來的VA、VB、VC，正反轉(zhuǎn)及停車信號ZZ、FZ、ST

16、OP，過流信號IP及調(diào)速信號P0.4。至驅(qū)動電路的信號為UGl一UG6和PWM斬波信號。單片機8098、鎖存器74LS373和片外程序存儲器27128 (EPROM)組成8098。兩片可編程邏輯器件可編程邏輯器件GAL16V8實現(xiàn)對輸入信號的邏輯綜合。8098單片機通過軟件軟件實現(xiàn)PWM斬波信號輸出、最佳起動過程，通過對位置傳感器的信號計算測量轉(zhuǎn)速、實現(xiàn)速度閉環(huán)和電流閉環(huán)的PID控制等功能。以以8098單片機為核心的單片機為核心的eg2: 實用型控制器實用型控制器實用型控制器介紹實用型控制器介紹1) 開關(guān)主電路開關(guān)主電路電源電壓電源電壓48VDC，經(jīng)，經(jīng)LC濾波電路輸出穩(wěn)定的濾波電路輸出穩(wěn)定的

17、48V電壓。電壓。采用三相橋式逆變器，工作方式為采用三相橋式逆變器，工作方式為120o導(dǎo)通型導(dǎo)通型星形三相六狀態(tài)。星形三相六狀態(tài)。功率開關(guān)管功率開關(guān)管T1T 6選用高速型選用高速型MOSFET器件器件IR540，D1D6為續(xù)流二極管。為續(xù)流二極管。采用一個整體型采用一個整體型RCD緩沖電路。緩沖電路。采用采用IR公司的公司的6單元驅(qū)動集成電路單元驅(qū)動集成電路IR2130，該電路采，該電路采用上橋臂自舉電容工作，驅(qū)動用上橋臂自舉電容工作，驅(qū)動6個單元僅用一路個單元僅用一路10-20V電源。電源。輸入信號可與輸入信號可與TTL、MOS器件接口。器件接口。芯片內(nèi)部具有欠壓鎖定、外部過流封鎖和故障輸出

18、指芯片內(nèi)部具有欠壓鎖定、外部過流封鎖和故障輸出指示功能。示功能。旦過流保護或欠壓鎖定，旦過流保護或欠壓鎖定，LA2會發(fā)光指示。會發(fā)光指示。調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)W3可調(diào)節(jié)過流保護值。為了防止干擾引起誤觸可調(diào)節(jié)過流保護值。為了防止干擾引起誤觸發(fā)而產(chǎn)生假過流現(xiàn)象，在發(fā)而產(chǎn)生假過流現(xiàn)象，在IR2130的的9腳過流封鎖端加腳過流封鎖端加一小電容進行濾波。一小電容進行濾波。包括包括PWM生成電路生成電路和和邏輯綜合電路邏輯綜合電路兩部分。兩部分。PWM生成電路采用生成電路采用SG3525PWM脈沖形成電路來產(chǎn)生斬波脈沖形成電路來產(chǎn)生斬波調(diào)壓信號。調(diào)壓信號。SG3525工作時，腳工作時，腳11、l 4輸出兩路互差輸出兩路互差180o的的PWM信號，信號，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)W1可使可使PWM占空比在占空比在00. 98范圍內(nèi)變化。范圍內(nèi)變化。邏輯綜合電路用邏輯綜合電路用GALl6V8門陣列可編程器件來實現(xiàn)。門陣列可編程器件來實現(xiàn)。三個霍爾元件三個霍爾元件(HA、HB、HC)輸出信號經(jīng)上拉電阻后變?yōu)檩敵鲂盘柦?jīng)上拉電阻后變?yōu)?5V開關(guān)脈沖，送入開關(guān)脈沖，送入GALl6V8。正、反轉(zhuǎn)信號經(jīng)開關(guān)正、反轉(zhuǎn)信號經(jīng)開關(guān)K來實現(xiàn)，停機操作由來實現(xiàn)，停機操作由PWM脈沖信號脈沖信號為零來保證。為零來保證。以上信號按以上信號按120o三相六狀態(tài)導(dǎo)通規(guī)則進行邏輯合成，生成三相六狀態(tài)導(dǎo)通規(guī)則進