無刷直流電機的原理和控制——介紹

1、 2009 Hogan & Hartson LLP. All rights reserved.December.2014December.2014無刷直流電機的原理和應(yīng)用無刷直流電機的原理和應(yīng)用The principle and application of Brushless DC Motor2目目 錄錄v發(fā)展歷程發(fā)展歷程v無刷直流電機的優(yōu)勢無刷直流電機的優(yōu)勢v應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域v基本原理基本原理v控制技術(shù)控制技術(shù)3v發(fā)展歷程發(fā)展歷程初衷：克服機械換相帶來的缺點，以電子換相取代機械換相發(fā)展過程：1955年美國DHarrison等人首次申請了用晶體管換相電路代替機械電刷的專利，標志著現(xiàn)代無刷電動

2、機的誕生；而電子換相的無刷直流電動機真正進入實用階段，1978年德國推出MAC無刷直流電動機及其驅(qū)動器的推出，標志著走入實用化階段；之后，國際上對無刷直流電動機進行了深入的研究，先后研制成方波無刷電機和正弦波直流無刷電機發(fā)展方向：控制更精密；功率更大；無位置傳感器；降低轉(zhuǎn)矩波動；4v無刷電機優(yōu)點（一）無刷電機優(yōu)點（一）有刷電機采用機械換向，壽命短噪聲大產(chǎn)生電火花，效率低。它長期使用碳刷磨損嚴重，較易損壞。同時磨損產(chǎn)生了大量的碳粉塵，這些粉塵落軸承中，使軸承油加速干涸，電機噪聲進一步增大。有刷電機連續(xù)使用一定時間就需更換電機內(nèi)碳刷。無刷電機以電子換向取代機械換向，無機械摩擦，無磨損，無電火花，免

3、維護且能做到更加密封等特點所以技術(shù)上要優(yōu)于有刷電機。無刷直流電動機的永磁體，現(xiàn)在多采用高磁能積的稀土釹鐵硼材料。因此，稀土永磁無刷電動機的體積比同容量三相異步電動機縮小了一個機座號。5v無刷電機優(yōu)點（二）無刷電機優(yōu)點（二） 無刷直流電機的高效率，高效區(qū)域大，功率和轉(zhuǎn)矩密度高，功率因數(shù)（COS）接近1，系統(tǒng)效率90%,永磁無刷直流電機在任何情況下轉(zhuǎn)子都是同步運行，交流變頻電機是變頻調(diào)速，無刷直流電機是調(diào)速變頻，電機在同步轉(zhuǎn)速下運行，轉(zhuǎn)子既無銅耗又無鐵耗。無刷直流電機具有低電壓特性好，轉(zhuǎn)矩過載特性強，啟動轉(zhuǎn)矩大（堵轉(zhuǎn)特性），啟動電流小等優(yōu)點。寬調(diào)速小體積高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小，自控式運行的，可以重

4、載啟動，在負載突變時不會產(chǎn)生振蕩和失步6v應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域汽車：空調(diào)；油泵電機；電動汽車驅(qū)動電機；電動自行車；摩托車起動電機等家用電器：變頻空調(diào)；變頻冰箱；變頻洗衣機；吸塵器；攪拌機等；工業(yè)自動化設(shè)備：縫紉機；高檔數(shù)控加工設(shè)備、工業(yè)智能機器人、自動化生產(chǎn)流水線、自動紡織、包裝、冶金等；精密電子設(shè)備和儀器：醫(yī)療器械；打印機；復(fù)印機等；其它：航空航天；兵器等;7v基本原理（一）基本原理（一）t無刷直流電機組成部分：電機本體、位置傳感器、電子開關(guān)線路； t電機本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動機相似；t電子開關(guān)線路由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩部分組成；t電子開關(guān)線路導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的

5、，起機械換向器的換向作用。8v基本原理（二）基本原理（二） 定定子子 永永磁磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 傳傳感感器器定定子子 傳傳感感器器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 9v基本原理（三）基本原理（三）轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60o，逆變器開關(guān)管換流一次、定子磁狀態(tài)改變一次，電機有6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60O跳躍旋轉(zhuǎn)10v基本原理（四）基本原理（四）11v基本原理（五）基本原理（五）12v控制系統(tǒng)（一）控制系統(tǒng)（一）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PWM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順序工作，在電機氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場。13v控

6、制系統(tǒng)（二）控制系統(tǒng)（二） VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US - - 位置檢測器的三個輸出信號通過邏輯電路控制這些開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：。14v控制系統(tǒng)（三）控制系統(tǒng)（三）有位置傳感器檢測磁敏式光電式電磁式接近開關(guān)式正余弦變壓器編碼器15v控制系統(tǒng)（四）控制系統(tǒng)（四）無位置傳感器檢測反電動勢檢測續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測定子三次諧波檢測瞬時電壓方程法16v控制系統(tǒng)（五）控制系統(tǒng)（五）17v控制系統(tǒng)（六）控制系統(tǒng)（六）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MOSFET、IGBT、GTO以及MCT等功率電

7、子器件，也可以為功率集成電路PIC或智能功率模塊IPM18v控制系統(tǒng)（七）控制系統(tǒng)（七） 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。19v控制系統(tǒng)（八）控制系統(tǒng)（八）20v控制系統(tǒng)（九）控制系統(tǒng)（九）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, 給驅(qū)動電路提供各開關(guān)管的

8、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。21v控制系統(tǒng)（十）控制系統(tǒng)（十）控制器模擬控制系統(tǒng) 數(shù)字控制系統(tǒng) 分立元件加少量集成電路構(gòu)成的模擬控制系統(tǒng) 基于專用集成電路的控制系統(tǒng) 數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng) 全數(shù)字控制系統(tǒng) 22v控制系統(tǒng)（十一）控制系統(tǒng)（十一）可以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制 提高了控制的靈活性和適應(yīng)性 無零點漂移，控制精度高 可提供人機界面，多機聯(lián)網(wǎng)工作 使電路更簡單 23v控制系統(tǒng)（十二）控制系統(tǒng)（十二） 速速度度給給定定 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向向設(shè)設(shè)定定 ACH0 WG1 WG1 WG2 WG2 WG3 WG3 柵柵極極 驅(qū)驅(qū)動動 電電路路 IR2130 IGBT 位位置置傳傳感感器器 P