無刷直流電機(jī)

1、無刷直流電機(jī)1永磁無刷直流電動機(jī)的工作原理有刷直流電動機(jī)由于電刷的換向，使得由永久磁鋼產(chǎn)生的磁場與電樞繞組通電后產(chǎn)生的磁場在電機(jī)運(yùn)行過程中始終保持垂直從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。無刷直流電機(jī)的運(yùn)行原理和有刷直流電機(jī)基本相同，即在一個具有恒定磁通密度分布的磁極下，保證電樞繞組中通入的電流總量恒定，以產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩且轉(zhuǎn)矩只與電樞電流的大小有關(guān)。無刷直流電機(jī)的運(yùn)行還需依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測出轉(zhuǎn)子的位置信號，通過換相驅(qū)動電路驅(qū)動與電樞繞組連接的各功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制定子繞組的通電，在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，位置傳感器不斷地送出信號，以改變電樞的通電狀態(tài)，使得在同

2、一磁極下的導(dǎo)體中的電流方向不變。因此，就可產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩使無刷直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來。由無刷直流電動機(jī)的組成來看，它實(shí)際上是一個由電動機(jī)本體、電子開關(guān)線路及轉(zhuǎn)子磁鋼位置傳感器組成的閉環(huán)系統(tǒng)。電動機(jī)本體有星形連接方式和角形連接方式，電子開關(guān)線路的逆變器可采用半橋電路或全橋電路，因此，不同的選擇會使電動機(jī)產(chǎn)生不同的性能并且成本也不同。下面對此作一個對比。繞組利用率與普通直流電動機(jī)不同，無刷直流電動機(jī)的繞組是斷續(xù)通電的。適當(dāng)?shù)靥岣呃@組通電利用率可以使同時通電導(dǎo)體數(shù)增加，使電阻下降，提高效率。從這個角度來看，定子繞組三相比四相好，四相比五相好，電子開關(guān)線路逆變器采用全橋控制比半橋控制好。轉(zhuǎn)矩的波動無刷直流電

3、動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動比普通直流電動機(jī)大，因此希望盡量減小轉(zhuǎn)矩脈動。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的脈動越小。全橋驅(qū)動比半橋驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的脈動小。電路成本相數(shù)越多，驅(qū)動電路所使用的開關(guān)管越多，成本越高。全橋驅(qū)動比半橋驅(qū)動所使用的開關(guān)管多一倍，因此成本要高。多相電動機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。綜合上述分析，目前以三相星形全橋驅(qū)動方式應(yīng)用最多。以下就以三相星形全橋驅(qū)動的無刷直流電動機(jī)為例，用圖2-2分析其工作原理。對于圖2-2所示的三相星形全控橋式電路來說，其導(dǎo)通方式可分為二二導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通方式兩種。關(guān)斷相是兩兩導(dǎo)通方式所特有的。三三導(dǎo)通方式是三相同時導(dǎo)通，逆變器每一橋臂總有一個功率管導(dǎo)通，不存在關(guān)斷相。所謂二二導(dǎo)通

4、方式是指每一瞬間只有兩個功率管導(dǎo)通，每隔60換相一次，每次換相一個功率管，橋臂之間左右換相，每個功率管導(dǎo)通120。各功率管的導(dǎo)通順序是VT1VT2VT2VT3VT3VT4VT4VT5VT5VT6VT6VT1VT1VT-。當(dāng)功率管VT1和VT2導(dǎo)通時，電流從VT1管流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)VT2管回到電源。如果認(rèn)定流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，那么從繞組流出的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)，它們合成的轉(zhuǎn)矩Tac大小為ac3T，方向在T和-T的角平分線上。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)過60后，由VT1VT2通電換aac成VT2VT3通電。這時，電流從VT3流入B相繞組再從C相繞組流出，經(jīng)過VT2回到電源，此時合成

5、轉(zhuǎn)矩厶大小同樣為3T,但合成轉(zhuǎn)矩Tb的方向轉(zhuǎn)過bcabc了60電角度。而后每換相一個功率管，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過60電角度，但大小始終保持3T不變。圖2-3給出了全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。a所以，同樣一臺直流無刷電動機(jī)（指本體而言），每相繞組通過與三相半控電路同樣的電流時，采用三相星形全控電路，在兩兩通電的情況下，其合成轉(zhuǎn)矩增加了3圖2-3星形連接繞組兩兩通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖Fig.2-3倍。每隔60電角度換相一次，每個功率管導(dǎo)通120，每個繞組通電240，其中正向通電和反向通電各120，我們把無刷直流電機(jī)的這種工作方式稱為兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)，這是無刷直流電動機(jī)最常用的一種工作方式。三三

6、導(dǎo)通方式是指每一瞬間均有三個功率管同時導(dǎo)通，每隔60電角度換相一次，每次換相一個功率管，一個橋臂上下管之間換相，每個功率管導(dǎo)通180電角度，各功率管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1VT2VT3VT2VT3VT4VT3VT4VT5VT4VT5VTVT5VTVTVTVTVTVT1VT2VT3。當(dāng)VTVTVT導(dǎo)通時，電流從VT管流入A相繞組，經(jīng)B相和C相繞組的電流分別為流過A相繞組電流的一半，其合成轉(zhuǎn)矩方向同A相，而大小為1.5T。經(jīng)過60。電角度a后,換相到VT1VT2VT3通電，即先關(guān)斷VT而后導(dǎo)通VT3（注意，一定要先關(guān)斷VT而后導(dǎo)通VT3,否則就會出現(xiàn)VT和VT3同時通電，則電源被VT3VT短路，這是絕對

7、不允許的）。這時電流分別從VT1和VT3流入，經(jīng)A相和B相繞組（相當(dāng)于A相和B相繞組并聯(lián)），再流入C相繞組，經(jīng)VT2流出，合成轉(zhuǎn)矩方向與-C相同，轉(zhuǎn)過了60電角度，大小仍然是1.5T。再經(jīng)過60電角度后。a換相到VT2VT3VT4通電，而后依次類推，它們的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖如圖2-4所示。兩種導(dǎo)通方式對電流與反電勢的相位對應(yīng)關(guān)系均有嚴(yán)格要求，兩兩導(dǎo)通方式中，在反電勢處于梯形平頂階段時令該相保持導(dǎo)通，電流為理想矩形波時，可保證輸入功率恒定，不存在轉(zhuǎn)矩脈動。三三導(dǎo)通方式中，反電勢過零點(diǎn)就是換相時刻，在某相的反電勢為正時觸發(fā)導(dǎo)通該相使其繞組上流過正向電流，在反電勢為負(fù)時觸發(fā)導(dǎo)通該相使其繞組上流過負(fù)向電流

8、。兩種導(dǎo)通方式都存在換相轉(zhuǎn)矩脈動，兩兩導(dǎo)通方圖2-4三三導(dǎo)通時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖Fig.2-4式在換相時刻，導(dǎo)通相的反電勢已經(jīng)達(dá)到幅值，而三三導(dǎo)通方式在換相時刻，導(dǎo)通相的反電勢為零，所以，三三導(dǎo)通方式的換相轉(zhuǎn)矩脈動更加明顯。但三三導(dǎo)通方式每相共導(dǎo)通360，兩兩導(dǎo)通方式每相共導(dǎo)通240。無刷直流電動機(jī)反電動勢當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度為恒值時，無刷直流電動機(jī)的定子每相繞組反電動勢波形與磁通密度分布波形應(yīng)該一致，為了簡化分析，可將它近似為梯形波。為了減小轉(zhuǎn)矩脈動，反電動勢波形的平頂寬度應(yīng)大于等于120電角度。通常把相反電動勢看成平頂寬為120電角度的梯形波。無刷直流電機(jī)定子采用集中繞組方式，以獲得良好的梯形波反

9、電動勢形狀定子每相繞組反電動勢在兀區(qū)間內(nèi)的函數(shù)表達(dá)式見式(2-1)：K2t,eK,K2t,eee=K2t,+6K,eeK，eKat一12K,10w10wt615Wt665w766711Wt661Wt2(2-1)式中K電動勢系數(shù)e電機(jī)的電角速度上式是在理想情況下確定的，其他兩相在相位上依次相差2兀3電角度。在某一固定轉(zhuǎn)速下按時間軸建立的無刷直流電機(jī)三相反電動勢波形，如圖2-5所示。圖2-5無刷直流電動機(jī)的三相反電動勢波形Fig.2-5無刷直流電動機(jī)的調(diào)速直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)式見式(2-2)。U-IRnK,(2-2)式中U電樞端電壓I電樞電流R電樞電路總電阻每極磁通量K電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)因此可知，直流

10、電動機(jī)的調(diào)速方法有三種：調(diào)節(jié)電樞供電電壓U，改變電機(jī)的主磁通改變電樞回路電阻R。改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上做小范圍的升速。通常，無刷直流電機(jī)是通過調(diào)節(jié)輸入電機(jī)的直流平均電壓達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。調(diào)節(jié)方式有兩種一種為PAM(PulseAmplitudeMede)脈沖幅值調(diào)制方式，另一種為PWM(PulseWidthMode)脈寬調(diào)制方式。在PAM方式中，直流母線電壓Us可調(diào)，逆變器功率開關(guān)器件只負(fù)責(zé)電機(jī)換相控制，通過調(diào)節(jié)直流母線電壓認(rèn)的大小調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速

11、。在PWM方式中，直流母線電壓認(rèn)不可調(diào)，逆變器功率開關(guān)器件不但負(fù)責(zé)無刷直流電機(jī)的換相控制，而且通過斬波調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的36,37。無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動問題無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，運(yùn)行效率高，但運(yùn)行中存在的轉(zhuǎn)矩脈動問題，影響了它在精確的位置控制和高性能的速度控制領(lǐng)域的發(fā)展。造成無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的原因很多，歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：電磁因素在理想情況下，即當(dāng)電樞為集中繞組結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子磁密在空間分布為180的方波，電動勢波形具有大于等于120電角度的平頂時，無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)。但實(shí)際電機(jī)不能做到極弧系數(shù)為1，且常常采用分布繞組，因此會

12、引起轉(zhuǎn)矩脈動。換相由于電樞繞組電感的影響，換相時存在電流延遲，從而引起轉(zhuǎn)矩脈動。采用重疊換相控制可以抑制換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動。定子齒槽由于定子齒槽的存在，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時氣隙磁阻發(fā)生變化，從而引起轉(zhuǎn)矩脈動。減少齒槽轉(zhuǎn)矩脈動最常用的措施是采用定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極，也可以通過增大氣隙或采用分?jǐn)?shù)槽繞組來減少齒槽轉(zhuǎn)矩脈動，采用無槽電機(jī)則可完全消除齒槽轉(zhuǎn)矩脈動。電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)對轉(zhuǎn)矩脈動的影響主要反應(yīng)在以下兩個方面：一方面電樞反應(yīng)引起氣隙磁場畸變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動；另一方面，在任一磁狀態(tài)內(nèi)，相對靜止的電樞反應(yīng)磁場與連續(xù)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子主極磁場相互作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩因轉(zhuǎn)子位置的不同而發(fā)生變化。為減小電樞反應(yīng)對因氣隙磁場畸變

13、而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動影響，電機(jī)應(yīng)選擇徑向充磁的瓦形或環(huán)形永磁體結(jié)構(gòu)或適當(dāng)增大氣隙。機(jī)械工藝機(jī)械加工和材料的不一致也是引起轉(zhuǎn)矩麥東國的重要原因之一。如工藝誤差造成的單邊磁拉力、摩擦轉(zhuǎn)矩不均勻、轉(zhuǎn)子位置傳感器的定位不準(zhǔn)確、繞組各相電阻和電感等參數(shù)不對稱、各永磁體性能不一致等。提高機(jī)械制造的工藝水平是減小轉(zhuǎn)矩脈動的重要因素。由于無刷直流電動機(jī)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，更適合于高性能的伺服系統(tǒng)，但如何在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)減小轉(zhuǎn)矩脈動一直是伺服系統(tǒng)研究的主要問題。在最近的二十年里，國內(nèi)外有大量的文獻(xiàn)研究這個課題，從總體上來看，這些轉(zhuǎn)矩脈動抑制技術(shù)可以分為兩大類:一類是從電機(jī)本體設(shè)計(jì)入手，采用斜槽、分?jǐn)?shù)槽、虛擬齒和虛擬槽、無槽電機(jī)等，可以削弱齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動；采用高性能的稀土永磁材料、轉(zhuǎn)子采用瓦片形表面貼裝型式等，可以削弱氣隙主磁場的氣隙磁感