直流無刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)

關(guān)于直流無刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)3.3無刷直流電動(dòng)機(jī)

（BrushlessDirectCurrentMotor,BLDC）

1、無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)2、無刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理3、力矩和速度的控制4、PWM控制技術(shù)第2頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

1.結(jié)構(gòu)由定子、轉(zhuǎn)子、檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置的傳感器及換相電路組成。定子采用疊片結(jié)構(gòu)并在槽內(nèi)鋪設(shè)繞組的方式。定子繞組多采用三相并以星形方式連接。第3頁,共36頁，2024年2月25日，星期天將永磁體貼裝在非導(dǎo)磁材料表面或鑲嵌在其內(nèi)構(gòu)成。大部分BLDC采用表面安裝方式。多為2到3對(duì)極的。磁性材料多采用具有高磁通密度的稀土材料，如銣鐵硼等

第4頁,共36頁，2024年2月25日，星期天結(jié)構(gòu)上BLDC與PMSM有些相似，但有兩點(diǎn)不同：BLDC的轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)專門的磁路設(shè)計(jì)，可獲得梯形波的氣隙磁場(chǎng)。而PMSM的氣隙磁場(chǎng)是正弦波的。BLDC的定子繞組結(jié)構(gòu)使之產(chǎn)生的反電勢(shì)是梯形波的。而PMSM繞組結(jié)構(gòu)產(chǎn)生正弦型的反電勢(shì)。PMSM定子繞組產(chǎn)生正弦型的反電勢(shì)BLDC的定子繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)是梯形波第5頁,共36頁，2024年2月25日，星期天2.工作原理1）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)如何產(chǎn)生？BLDC本質(zhì)上是一種同步電機(jī)，即定子繞組通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)子磁極與之對(duì)準(zhǔn)，產(chǎn)生軸的運(yùn)動(dòng)。假定電機(jī)定子為3相6極，相對(duì)應(yīng)極的兩個(gè)繞組首尾相接組成一相繞組，3相繞組星型連接。第6頁,共36頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)電流流過流過兩個(gè)繞線方向相同的鐵芯線圈時(shí)，電流方向不同，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也不同。假如電流從A相繞組流進(jìn)，從B相繞組流出，A相繞組產(chǎn)生從COM端指向A端的磁勢(shì)，B相繞組產(chǎn)生從B端指向COM端的磁勢(shì)。F第7頁,共36頁，2024年2月25日，星期天6步通電順序?yàn)楫a(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，三相繞組按按如下規(guī)則通電：每步三個(gè)繞組中一個(gè)繞組流入電流，一個(gè)繞組流出電流，一個(gè)繞組不導(dǎo)通；通電順序?yàn)椋?/p>

1.A+B-2.C+B-3.C+A-4.B+A-5.B+C-6.A+C-每步僅一個(gè)繞組被換相。每步磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)60度，每6步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周。第8頁,共36頁，2024年2月25日，星期天隨著磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，吸引轉(zhuǎn)子磁極隨之旋轉(zhuǎn)。磁場(chǎng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)：1→2→3→4→5→6磁場(chǎng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)：6→5→4→3→2→11.A+B-2.C+B-3.C+A-4.B+A-5.B+C-6.A+C-第9頁,共36頁，2024年2月25日，星期天2）如何實(shí)現(xiàn)換相？1.A+B-2.C+B-3.C+A-4.B+A-5.B+C-6.A+C-必須換相才能實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)。在無刷電機(jī)中，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置實(shí)現(xiàn)換相。要想根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置換相，就必須知道轉(zhuǎn)子磁極的位置。并不需要連續(xù)的位置信息，僅知道換相點(diǎn)的位置即可。在BLDC中，一般采用3個(gè)開關(guān)型霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置。由其輸出的3位二進(jìn)制編碼去控制逆變器中6個(gè)功率管的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)換相。第10頁,共36頁，2024年2月25日，星期天開關(guān)型霍爾傳感器

霍爾元件+信號(hào)處理電路=霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)，當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)到“動(dòng)作點(diǎn)”時(shí)，OC門輸出低電壓，稱這種狀態(tài)為“開”;當(dāng)施加磁場(chǎng)達(dá)到“釋放點(diǎn)”使OC門輸出高電壓，稱其為“關(guān)”施密特觸發(fā)器通過引入“磁場(chǎng)門限”消除振蕩現(xiàn)象。第11頁,共36頁，2024年2月25日，星期天如果將一只霍爾傳感器安裝在靠近轉(zhuǎn)子的位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子N極靠近霍爾傳感器即磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，其輸出是導(dǎo)通狀態(tài)；導(dǎo)通狀態(tài)保持直到電機(jī)旋轉(zhuǎn)使得S極靠近霍爾傳感器并達(dá)到一定值時(shí)，其輸出才翻轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)。在S-N交替變化磁場(chǎng)下，傳感器輸出波形占高、低電平各占50%。如果轉(zhuǎn)子是一對(duì)極，則電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周霍爾傳感器輸出一個(gè)周期的電壓波形，如果轉(zhuǎn)子是兩對(duì)極，則輸出兩個(gè)周期的電壓波形。無刷電機(jī)中霍爾傳感器輸出波形及編碼第12頁,共36頁，2024年2月25日，星期天霍爾傳感器間隔120度時(shí)的輸出波形及編碼直流無刷電機(jī)中一般安裝3個(gè)霍爾傳感器，間隔120度或60度按圓周分布。如果間隔120度，則3個(gè)霍爾傳感器的輸出波形相差120度轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180度后轉(zhuǎn)子磁極極性轉(zhuǎn)換，因此輸出信號(hào)中高、低電平各占180度。如果規(guī)定輸出信號(hào)高電平為“1”，低電平為“0”，則輸出的三個(gè)信號(hào)可用3位二進(jìn)制編碼表示。每60度編碼改變一次。第13頁,共36頁，2024年2月25日，星期天霍爾傳感器間隔60度時(shí)的輸出波形及編碼如果3個(gè)霍爾開關(guān)間隔60度，則輸出波形相差60度電角度。間隔120度與60度的二進(jìn)制編碼是不同的。但也是每60度電角度，編碼改變一次，輸出信號(hào)中高、低電平各占180度。111110100000001011111110ABC第14頁,共36頁，2024年2月25日，星期天多對(duì)轉(zhuǎn)子磁極時(shí)霍爾傳感器的輸出波形及編碼當(dāng)轉(zhuǎn)子為兩對(duì)磁極時(shí)，如轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周即360度機(jī)械角度時(shí)霍爾傳感器輸出兩個(gè)周波即720度電角度。機(jī)械角度是指電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度,由Θm表示；電角度是指磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)角度，由Θe表示。當(dāng)轉(zhuǎn)子為一對(duì)極時(shí)，Θm=Θe；當(dāng)轉(zhuǎn)子為n對(duì)極時(shí)，Θe=nΘm。例如，所示的BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)子有兩對(duì)磁極，3個(gè)霍爾開關(guān)間隔60度。兩周電氣旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于一周機(jī)械旋轉(zhuǎn)。每60度電角度編碼改變一次。輸出信號(hào)中高、低電平各占180度。第15頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

換相過程

假定定子繞組為3相，轉(zhuǎn)子為2對(duì)極，3個(gè)霍爾傳感器間隔60度按圓周分布，由6只晶體管組成的逆變器給電機(jī)供電。從霍爾傳感器輸出的二進(jìn)制編碼控制6個(gè)功率管的導(dǎo)通，可由邏輯電路實(shí)現(xiàn)，也可由軟件編程實(shí)現(xiàn)。

1.A+C-2.A+B-3.C+B-4.C+A-5.B+A-6.B+C-

第16頁,共36頁，2024年2月25日，星期天3、力矩和速度的控制當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由電磁感應(yīng)定律分別在三相定子繞組中產(chǎn)生三個(gè)反電勢(shì)。反電勢(shì)的大小取決于3個(gè)因素：轉(zhuǎn)子的角速度、由轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)和定子繞組的匝數(shù)。

Ea=Eb=Ec=Keω永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)專門的磁路設(shè)計(jì)，可獲得梯形波的氣隙磁場(chǎng)，定子采用集中整距繞組，因而感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)也是梯形波的。由逆變器提供與電動(dòng)勢(shì)嚴(yán)格同相的方波電流。第17頁,共36頁，2024年2月25日，星期天BLDC電機(jī)從功率平衡的角度考慮Tω=EaIa+EbIb+EcIc又因?yàn)镋=Keω,且在所有的時(shí)間都只有兩相繞組流過相同電流，

T=2KeIa可見，力矩與定子繞組電流成正比，改變電流即改變力矩。特點(diǎn)：定子電流為方波，反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，且在每半個(gè)周期內(nèi)，方波電流的持續(xù)時(shí)間為120°電角度，梯形波反電動(dòng)勢(shì)的平頂部分也為120°電角度，兩者應(yīng)嚴(yán)格同步。第18頁,共36頁，2024年2月25日，星期天定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的角度關(guān)系按照電機(jī)統(tǒng)一規(guī)律，必須保證θs-θr為90度，才能取得最大轉(zhuǎn)矩。因旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是60度增量，看來無法實(shí)現(xiàn)這個(gè)關(guān)系。但通過適當(dāng)?shù)陌才趴蓪?shí)現(xiàn)平均90度的關(guān)系。如果每一步都使離轉(zhuǎn)子磁極120度的定子磁勢(shì)所對(duì)應(yīng)的繞組導(dǎo)通，并且當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60度后換相，如此重復(fù)每一步，則可使定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相差60-120度，平均90度。第19頁,共36頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)子總是朝著著能使θs-θr減小的方向運(yùn)動(dòng),一直延續(xù)到下一次換相瞬間.即轉(zhuǎn)子從θs-θr為120°一直運(yùn)動(dòng)到θs-θr為60°,然后定子電流換相,定子繞組的磁動(dòng)勢(shì)向前步進(jìn)60°.結(jié)果θs-θr又變?yōu)?20°,接著轉(zhuǎn)子又朝θs-θr減小的方向運(yùn)動(dòng),如此反復(fù),就產(chǎn)生了定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相差60-120度，平均90度的關(guān)系。第20頁,共36頁，2024年2月25日，星期天力矩的波動(dòng)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)：每次換相時(shí)，由于繞組電感的作用電流不能突變，電流的過渡過程產(chǎn)生力矩波動(dòng)。由于轉(zhuǎn)矩存在波動(dòng)，限制了它在對(duì)速度變化比較敏感的場(chǎng)合的應(yīng)用。但當(dāng)速度較高時(shí)，負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)對(duì)此產(chǎn)生平滑作用。第21頁,共36頁，2024年2月25日，星期天速度的控制無刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)相似，改變定子繞組電壓的幅值即能改變電機(jī)速度。但無刷直流電動(dòng)機(jī)與永磁交流同步電機(jī)一樣，實(shí)質(zhì)上是一種同步電動(dòng)機(jī)。表面上通過改變電壓控制速度，實(shí)際上通過改變力矩改變電機(jī)速度，使霍爾傳感器發(fā)出的編碼信號(hào)改變逆變器換相的速度，從而改變電機(jī)的供電頻率，保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與供電頻率同步。因此是通過電壓和頻率的協(xié)調(diào)來控制轉(zhuǎn)速。第22頁,共36頁，2024年2月25日，星期天速度的控制從電動(dòng)機(jī)本身看，它是一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)，但是如果把它和逆變器、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器合起來看，就象是一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)。直流電機(jī)電樞里面的電流本來就是交變的，只是經(jīng)過換向器和電刷才在外部電路表現(xiàn)為直流。無刷直流電動(dòng)機(jī)逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器替代機(jī)械式換向器和電刷。歷史上無刷直流電動(dòng)機(jī)有過交流伺服電機(jī)、梯形波交流伺服電機(jī)、無刷直流電機(jī)等多種稱呼。第23頁,共36頁，2024年2月25日，星期天永磁交流同步電機(jī)也是通過傳感器檢測(cè)電機(jī)位置，從而改變dq坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度也即電壓頻率(磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度）來改變電機(jī)速度的?？刂葡到y(tǒng)也和DC系統(tǒng)一樣，要求不高時(shí)，可采用開環(huán)調(diào)速，要求較高時(shí)可采用速度回路和電流回路改善性能。無論是開環(huán)還是閉環(huán)系統(tǒng)，都必須具備轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)、發(fā)出換相信號(hào)、調(diào)速時(shí)對(duì)直流電壓的PWM控制等基本功能。第24頁,共36頁，2024年2月25日，星期天BLDC電機(jī)的速度---力矩特性曲線

在連續(xù)工作區(qū)，電機(jī)可被加載直至額定轉(zhuǎn)矩Tr.在電機(jī)起停階段，需要額外的力矩克服負(fù)載慣性。這時(shí)可使其短時(shí)工作在短時(shí)工作區(qū)，只要其不超過電機(jī)峰值力矩Tp且在特性曲線之內(nèi)即可。第25頁,共36頁，2024年2月25日，星期天4、PWM控制技術(shù)為了使BLDC電機(jī)速度可變，必須在繞組的兩端加可變電壓。利用PWM控制技術(shù)，通過控制PWM信號(hào)的不同占空比，則繞組上平均電壓可以被控制，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和力矩。在控制系統(tǒng)中采用DSP或單片機(jī)時(shí)，可利用器件中的PWM產(chǎn)生模塊產(chǎn)生PWM波形。根據(jù)轉(zhuǎn)速要求設(shè)定占空比，然后輸出6路PWM信號(hào)，加到6個(gè)功率管上。第26頁,共36頁，2024年2月25日，星期天例：由dsPIC30F2010的PWM模塊產(chǎn)生PWM信號(hào)的機(jī)制第27頁,共36頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)下橋臂的功率管由導(dǎo)通到關(guān)斷時(shí)，上橋臂的功率管延時(shí)一段時(shí)間再由關(guān)斷到導(dǎo)通，以防止橋臂直通。這個(gè)延時(shí)時(shí)間稱為”死區(qū)”。死區(qū)可通過編程改變。第28頁,共36頁，2024年2月25日，星期天MCPWM的PWM時(shí)基模塊中有一個(gè)專用的16位PTMR計(jì)數(shù)器和一個(gè)PTPER數(shù)字寄存器，PTMR對(duì)定時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，PTPER中置入的數(shù)字確定了PWM信號(hào)的周期。PTMR計(jì)數(shù)器啟動(dòng)計(jì)數(shù)后，其計(jì)數(shù)值與PTPER中置入的數(shù)字值比較，兩者一致時(shí)，就輸出一個(gè)周期的PWM信號(hào)。改變PTPER的值，就可以方便的改變計(jì)數(shù)的周期，這樣就可以改變PWM波形的頻率。PWM發(fā)生器#中PDC數(shù)字寄存器中置入的數(shù)字確定了PWM信號(hào)的占空比。比較器將設(shè)定的比較值PDC*與PTMR計(jì)數(shù)值相比較，產(chǎn)生PWM波形的跳變。只要實(shí)時(shí)PDC*的值，就可以改變單位周期內(nèi)高電平或者低電平的脈沖寬度，產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波形。通過占空比比較產(chǎn)生的三個(gè)輸出將被分別傳輸給死區(qū)置入及輸出寄存器，可以在高電平變低與低電平變高之間插入一段死區(qū)。以防止輸出驅(qū)動(dòng)器發(fā)生意外的直通現(xiàn)象。特殊函數(shù)寄存器OVDCOND中的各位直接控制6個(gè)PWM輸出通道。當(dāng)位為1時(shí)，已建立的占空比信號(hào)出現(xiàn)在該位所對(duì)應(yīng)的輸出通道上，當(dāng)位為0時(shí)，其輸出被禁止。第29頁,共36頁，2024年2月25日，星期天OVDCOND寄存器的值由霍爾傳感器輸出的二進(jìn)制編碼繞組通電順序決定。A+C-

A+B-C+B-

C+A-B