直流無刷電機(jī)及其驅(qū)動技術(shù).ppt

1、PMSM的問題,控制比直流伺服電機(jī)要復(fù)雜的多； 要想實(shí)現(xiàn)力矩控制，必須有角位置傳感器，以測量d-q坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角； 反電勢必須是正弦波的，這對電機(jī)設(shè)計(jì)及制造工藝提出了較高的要求。,反電勢必須是正弦波的才能產(chǎn)生正弦電流,3.3 無刷直流電動機(jī) （Brushless Direct Current Motor ,BLDC）,1、無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu) 2、無刷直流電動機(jī)工作原理 3、力矩和速度的控制 4、PWM控制技術(shù),1. 結(jié)構(gòu),由定子、轉(zhuǎn)子、檢測轉(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 。,將永磁體貼裝在非導(dǎo)磁材料表面或鑲

2、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,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。而 PMSM的氣隙磁場是正弦波的。 BLDC的定子繞組結(jié)構(gòu)使之產(chǎn)生的反電勢是梯形波的。而 PMSM繞組結(jié)構(gòu)產(chǎn)生正弦型的反電勢。,PMSM定子繞組產(chǎn)生正弦型的反電勢,BLDC的定子繞組產(chǎn)生的反電勢是梯形波,2. 工作原理,1）旋轉(zhuǎn)磁場如何產(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，吸引轉(zhuǎn)子磁極與之對準(zhǔn)，產(chǎn)生軸的運(yùn)動。 假定電機(jī)定子為3相6極，相對

3、應(yīng)極的兩個繞組首尾相接組成一相繞組，3相繞組星型連接。,當(dāng)電流流過流過兩個繞線方向相同的鐵芯線圈時，電流方向不同，產(chǎn)生的磁場方向也不同。 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， B相繞組產(chǎn)生從B端指向COM端的磁勢。,F,6步通電順序,為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，三相繞組按按如下規(guī)則通電： 每步三個繞組中一個繞組流入電流，一個繞組流出電流，一個繞組不導(dǎo)通；通電順序?yàn)椋?1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C- 每步僅一個繞組被換相。 每步磁場旋轉(zhuǎn)60度，每6步旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)一周。,隨著磁場的旋轉(zhuǎn)，吸引轉(zhuǎn)子磁極隨之旋轉(zhuǎn)。 磁

4、場順時針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)：123456 磁場逆時針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)：654321 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-,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個開關(guān)型霍爾傳感器測量轉(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個功率管的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)換相。,開關(guān)型霍爾傳

5、感器,霍爾元件+信號處理電路=霍爾傳感器 利用霍爾效應(yīng)，當(dāng)施加的磁場達(dá)到“動作點(diǎn)”時，OC門輸出低電壓，稱這種狀態(tài)為“開”; 當(dāng)施加磁場達(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“磁場門限”消除振蕩現(xiàn)象。,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，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，其輸出才翻轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)。 在S-N交替變化磁場下，傳感器輸出波形占高、低電平各占50%。 如果轉(zhuǎn)子是一對極，則電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周霍爾傳感器輸出一個周期的電壓波形，如果轉(zhuǎn)子是兩對極，則輸出兩個周期的電

6、壓波形。,無刷電機(jī)中霍爾傳感器輸出波形及編碼,霍爾傳感器間隔120度時的輸出波形及編碼,直流無刷電機(jī)中一般安裝3個霍爾傳感器，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，因此輸出信號中高、低電平各占180度。 如果規(guī)定輸出信號高電平為“1”，低電平為“0”，則輸出的三個信號可用3位二進(jìn)制編碼表示。 每60度編碼改變一次。,霍爾傳感器間隔60度時的輸出波形及編碼,如果3個霍爾開關(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，輸出信號中高、低

7、電平各占180度。,111 110 100 000 001 011 111 110,A,B,C,多對轉(zhuǎn)子磁極時霍爾傳感器的輸出波形及編碼,當(dāng)轉(zhuǎn)子為兩對磁極時，如轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周即360度機(jī)械角度時霍爾傳感器輸出兩個周波即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m表示； 電角度是指磁場的旋轉(zhuǎn)角度，由e表示。 當(dāng)轉(zhuǎn)子為一對極時，m=e；當(dāng)轉(zhuǎn)子為n對極時，e=nm。 例如，所示的BLDC 電機(jī)轉(zhuǎn)子有兩對磁極， 3個霍爾開關(guān)間隔60度。兩周電氣旋轉(zhuǎn)對應(yīng)于一周機(jī)械旋轉(zhuǎn)。 每60度電角度編碼改變一次。輸出信號中高、低電平各占180度。,換相過程假定定子繞組為3相，轉(zhuǎn)子為2對極，3個霍爾傳感器間隔

8、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-,3、力矩和速度的控制,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由電磁感應(yīng)定律分別在三相定子繞組中產(chǎn)生三個反電勢。 反電勢的大小取決于3個因素：轉(zhuǎn)子的角速度、由轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的磁場和定子繞組的匝數(shù)。 Ea=Eb=Ec=Ke 永磁無刷直流電動機(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，定子采用集中整距繞組，因而感應(yīng)的電動勢也是梯形波的。 由逆變器提供與電動勢嚴(yán)格同相的方波電流。,B

9、LDC電機(jī),從功率平衡的角度考慮 T=EaIa+EbIb+EcIc 又因?yàn)镋=Ke,且在所有的時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，反電動勢為梯形波，且在每半個周期內(nèi)，方波電流的持續(xù)時間為120電角度，梯形波反電動勢的平頂部分也為120電角度，兩者應(yīng)嚴(yán)格同步。,定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢的角度關(guān)系,按照電機(jī)統(tǒng)一規(guī)律，必須保證s-r為90度，才能取得最大轉(zhuǎn)矩。 因旋轉(zhuǎn)磁場是60度增量，看來無法實(shí)現(xiàn)這個關(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度的定子磁勢所對應(yīng)的繞組導(dǎo)通，并且當(dāng)轉(zhuǎn)

10、子轉(zhuǎn)過60度后換相，如此重復(fù)每一步，則可使定子磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢相差60-120度，平均90度。,轉(zhuǎn)子總是朝著著能使s-r減小的方向運(yùn)動, 一直延續(xù)到下一次換相瞬間. 即轉(zhuǎn)子從s-r為120一直運(yùn)動到s-r為60, 然后定子電流換相, 定子繞組的磁動勢向前步進(jìn)60. 結(jié)果s-r又變?yōu)?20, 接著轉(zhuǎn)子又朝s-r減小的方向運(yùn)動, 如此反復(fù), 就產(chǎn)生了定子磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢相差60-120度，平均90度的關(guān)系。,力矩的波動,換相轉(zhuǎn)矩脈動：每次換相時，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。 由于轉(zhuǎn)矩存在波動，限制了它在對速度變化比較敏感的場合的應(yīng)用。但當(dāng)速度較高時，負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量會

11、對此產(chǎn)生平滑作用。,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 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。,速度的控制,從電動機(jī)本身看，它是一臺同步電動機(jī)，但是如果把它和逆變器 、轉(zhuǎn)子位置檢測器 合起來看，就象是一臺直流電動機(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。無刷直流電動機(jī)逆變

12、器和轉(zhuǎn)子位置檢測器替代機(jī)械式換向器和電刷。 歷史上無刷直流電動機(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。,永磁交流同步電機(jī)也是通過傳感器檢測電機(jī)位置，從而改變dq坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度也即電壓頻率(磁場旋轉(zhuǎn)速度）來改變電機(jī)速度的。 控制系統(tǒng)也和DC系統(tǒng)一樣，要求不高時，可采用開環(huán)調(diào)速，要求較高時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、發(fā)出換相信號、調(diào)速時對直流電壓的PWM控制等基本功能。,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。這時可使其短時工作在短時

13、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。,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，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，加到6個功率管上。,例：由dsPIC30F2010的PWM 模塊產(chǎn)生PWM信號的機(jī)制,當(dāng)下橋臂的功率管由導(dǎo)通到關(guān)斷時，上橋臂的功率管延時一段時間再由關(guān)斷到導(dǎo)通，以防止橋臂直通。 這個延時時間稱為”死區(qū)”。 死區(qū)可通過編程改變

14、。,MCPWM的PWM時基模塊中有一個專用的16位PTMR計(jì)數(shù)器和一個PTPER 數(shù)字寄存器，PTMR對定時時鐘計(jì)數(shù)，PTPER中置入的數(shù)字確定了PWM信號的周期。PTMR計(jì)數(shù)器啟動計(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，就輸出一個周期的PWM信號。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

15、過占空比比較產(chǎn)生的三個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PWM輸出通道。當(dāng)位為1時，已建立的占空比信號出現(xiàn)在該位所對應(yīng)的輸出通道上，當(dāng)位為0時，其輸出被禁止。,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+A- B+C-,例1 由單片機(jī)控制的開環(huán)BLDC系統(tǒng)：,例2 單片三相無刷直流電動機(jī)控制器SI9979,SI9979特點(diǎn),霍爾傳感器輸入信號處理，60及120度間隔選擇，提供霍爾傳感器電源。 自動換相功能 集成逆變器高端驅(qū)動 PWM輸入及處理 電流限制，欠電壓保護(hù) 20到40電源電壓,例3: 由DSP控制的閉環(huán)BLDC系統(tǒng),BLDC的特點(diǎn),與DC電機(jī)比較：由于沒有電刷的機(jī)械摩擦，使其具有高可靠性、高效率、免維護(hù)、無噪聲、高