直流無刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)

1、3.3無刷直流電動(dòng)機(jī)(Brushless Direct CurrentMotor ,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、無刷直流電動(dòng)機(jī)電機(jī)特性4、PWM控制技術(shù)1結(jié)構(gòu)由定子、轉(zhuǎn)子、位置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，如敘1 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(chǎng)。而PMSM的氣隙磁場(chǎng)是正弦波的。 B

2、LDC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)是梯形波附：電角度和機(jī)械角度機(jī)械角度是指電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，由ni表示;電角度是指磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)角度，由e表示。當(dāng)轉(zhuǎn)子為一對(duì)極時(shí)，m=e；當(dāng)轉(zhuǎn)子為n對(duì)極時(shí)，0e=n0mo2.工作原理1）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生假定電機(jī)定子為3相6極，星型連接。轉(zhuǎn)子為一對(duì)極。電流方向不同時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向不同。若繞組的繞線方向一致，當(dāng)電流從A相繞組流進(jìn)， 從B相繞組流出時(shí)，電流在兩個(gè)繞組中產(chǎn)生的磁動(dòng) 勢(shì)方向是不同的。三相繞組通電遵循如下規(guī)則：每步三個(gè)繞組中一個(gè)繞組流入電流，一

3、個(gè)繞組流出電流，一個(gè) 繞組不導(dǎo)通；通電順序如下：1.A+B- 2.C+B- 3.C+A-4.B+A- 5. B+C- 6A+C- 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A-4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-每步磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)60度，每6步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周；每步僅一個(gè)繞組被換相。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)：123456磁場(chǎng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)：6f54f3f2f 1 l.A+B- 2.C+B 3.C+A-4.B+A- 5. B+C6.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

4、相才能實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，如果根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的 位置換相，并在換相時(shí)滿足定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互 垂直的條件，就能取得最大轉(zhuǎn)龜。要想根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置換相，換相時(shí)就必須知道轉(zhuǎn) 子的位置，但并不需要連續(xù)的位置信息，只要知道換 相點(diǎn)的位置即可。在ELDC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。開關(guān)型霍爾傳感器霍爾元件+信號(hào)處理電路二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)”基于這個(gè)原理，可制成接近開關(guān)。如果將一只霍爾傳感器

5、安裝在靠近轉(zhuǎn)子的位置，當(dāng)N極逐漸靠近 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)；當(dāng)N極逐漸離開霍爾傳感器、磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小時(shí)，其輸出仍 然保持導(dǎo)通狀態(tài)；只有磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)镾極并達(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。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，貝13個(gè)霍爾傳感器的輸出波形相差120度 電角度；輸出信號(hào)中高、低電平各占180度電角度。如果規(guī)定輸出信號(hào)高電

6、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。100 000 001 011 111 110 100 000 001 011 111 110H-111I r 1|1 1L_LrfL11 |1_1_1_1LL101 | 001 | 011 | 010 | 110 | 100 | 101 | 001如果間隔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。例：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只晶體管組成的橋式電路給電機(jī)供 電，分析其換相過程 l.A+C- 2.A+B- 3C+ B- 4.C+A-5

7、.B+A- 6. B+C-1 Mechanical Cycle (with 2 pole pairs)HighsideSwitch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 Electrical Cycle1 Electrical CycleAuB0+BPhase CurrentHallSensorInputLowside SwitchPWM41PWM21PWM2 iPWMO i PWMO iPWM4 |PWM41PQ4 1 Q2 1 Q2 1 QO 1 QO 1 Q4 1 Q4 1PWM1 .PWM1 |PWM5|PWM5|PWM3|

8、PWM3iPWM1Q1 1 Q1 1 Q5 1 Q5 1 Q3 1 Q3 1 Q10180360540720Sequence Number ,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,I 001 I 000 I 100 I 110 I 111 I Oil I 001 I 000 I 100 I 110 I 111 I Oil I IC Interrupt MSIPWMOCurrentBatk EMl.A+B 2.A+ C- 3 B+C- 4. B+A- 5.C+ A- 6 .C+B-每相繞組中電流是正負(fù)交替的由逆變器提供與電動(dòng)勢(shì)嚴(yán)格同相的方波電流564疋流流出r 2 電流流番、a直流有刷

9、電機(jī)繞組中的電流實(shí)際上也是正負(fù)交替 的，只是從電刷外部看電流是單方向的。直流有刷電機(jī)通過換向機(jī)構(gòu)換向，直流無刷電機(jī) 通過霍爾開關(guān)及逆變器換相。3）如何實(shí)現(xiàn)力矩的控制?按照電機(jī)統(tǒng)一規(guī)律，必須保證8s-業(yè)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60J20度，平均90度。每一個(gè)定子繞組回路與DC電機(jī) 電樞回路是類似的。但其電壓和電流都是在每半個(gè)電 周期中僅導(dǎo)通120度。電機(jī)制作時(shí)保證其繞組內(nèi)反

10、電勢(shì) 為梯形波，但平頂部分與電壓和 電流同時(shí)出現(xiàn)，其極性也與電壓 禾口由沛軟從功率平爲(wèi)的角度考慮Tco=EaIa+EbIb+EcIc又因?yàn)镋二Ke,且在所有的時(shí)間 都有兩相繞組流過相同電流，T=2IeIa可見，力矩與定子繞組電流成正 比，改變電流即改變力矩。力矩的波動(dòng)抿相技矩脈憩：每次換向時(shí)，由于繾袒電感的作用電流不 能突變，電流的狂渡過程產(chǎn)生力矩波動(dòng)。JtWfS在波動(dòng)，限制了它在高精度的速度、位置控制 累統(tǒng)中的應(yīng)用。4）如何實(shí)現(xiàn)速度的控制?改變定子繞組電壓的幅值即能改變電機(jī)速 度。3、電機(jī)特性在BLDC電機(jī)中，力矩正比于電流，速度正 比于電壓，反電勢(shì)正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此 其控制特性與機(jī)械特性

11、均與直流電機(jī)基本 相同。BLDC電機(jī)的機(jī)械特性曲線在連續(xù)工作區(qū),電機(jī)可被加載直至額定轉(zhuǎn)矩Ti：.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。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。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。以dsPIC30F2010單片機(jī)為例：2#死區(qū)置

12、入7及輸出寄存器/?1#死區(qū)置入及輸出寄存器3#死區(qū)置入 及輸出寄存器PWM輸出驅(qū)動(dòng)器PWM輸出位控制寄存器OVDCONDPWM1HPWM1LPWM2HPWM2LPWM3HPWM3LdsPIC30F2010的PWM 模塊High-voltage RailDrive VoltageTo Motor WindingPV/MxHPWMxL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。 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)字寄看器，PTMR對(duì)定時(shí)日于鐘計(jì)藪， PTP

13、ER中置入的數(shù)字確定了號(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)，就輸岀一個(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#中膽（2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)改SB魏值漣罷曙聶KSS電平或者低電平通過占空比比較產(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，、可糾在高由平窯低與低電壬孌高乙間插入 一農(nóng)死區(qū)。以防止鎰出驅(qū)窈器發(fā)生意外誦吉通現(xiàn)象。特殊函數(shù)寄存器OVDCO

14、ND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。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。Sequence# IHall001OVDCOND|00010010000 |I 00000110 |OVDCONS|00000000 | OOOQQQOQ |310000100100000000001101L1OilDOLOGO01 . 00001001 . OOOLIOOOPWMO |pwm, nLTLnnn_nI 0OOOOO00 | 00000000 | 00000000 |Hwann:

15、PWM5nnnnA+C A+B- C+B-PWM1PWM3PWM5PWM4PWM2PWMOC+A- B+A- B+C-Hal9 B、HICHall A例1由單片機(jī)控制的BLDC系統(tǒng):FIGURE 1:BLDC MOTOR CONTROL BLOCK DIAGRAMPWM5PWM4PWM3PWM2Run/StopPWM1PWM0FaultBImotcrHall A HallBHall CTempREFLexxu.ooLydN Ao NA12 3 ICICICANFWD/REV/FaultAI MOTORComparatorPWM1PWM0RshjntIDC-AmplifierPWM3PWM5PWM4PWM2DriverHall AHallBHallC例2單片三相無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器SI9979LITTLE FOOTowv-GND OITACH12-1B. 21-2437-41.44-4BABPWMIN OFMJLT o1Q1 MotorWinding69V4-VGTaSaIN*INgINCgapaGTbSbCAPbFNF/ffGTqBRKeaT35CAFCTSCagbaQSPWMG8bFAULTQBc|94-rtn glyGNDGND8 TF i17SI9979特點(diǎn)霍爾傳感器輸入信號(hào)處理，60及120度間隔 選擇，提供霍爾傳感器電源。自動(dòng)換相功能集成逆變器高端