【2019年整理】直流無刷電動機工作原理與控制方法(2)

1、直流無刷電動機工作原理與控制方法 序言 由于直流無刷電動機既具有交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系 列優(yōu)點，又具備直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，故在當 今國民經(jīng)濟各領(lǐng)域應(yīng)用日益普及。 一個多世紀以來，電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟的 各個領(lǐng)域以及人們的日常生活中。其主要類型有同步電動機、異步電動機和直流電動機三種。 由于傳統(tǒng)的直流電動機均采用電刷以機械方法進行換向，因而存在相對的機械摩擦，由此帶 來了噪聲、火化、無線電干擾以及壽命短等弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點，從 而大大限制了它的應(yīng)用范圍，致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大多數(shù)均

2、采用三相異步電動機。 針對上述傳統(tǒng)直流電動機的弊病，早在上世紀30年代就有人開始研制以電子換向 代替電刷機械換向的直流無刷電動機。經(jīng)過了幾十年的努力，直至上世紀60年代初終于實 現(xiàn)了這一愿望。上世紀 70年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導體功 率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料的問世，均為 直流無刷電動機的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。 三相直流無刷電動機的基本組成 直流無刷永磁電動機主要由電動機本體、 位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。 其定 子繞組一般制成多相 （三相、四相、五相不等），轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù) （2p=2,4,

3、） 組成。圖1所示為三相兩極直流無刷電機結(jié)構(gòu)， I電機本懷 I i電子開關(guān) I 圖1三相兩極直流無刷電機組成 三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件聯(lián)結(jié)，A、B、C相繞組分別 與功率開關(guān)管 VI、V2、V3相接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)軸相聯(lián)結(jié)。 當定子繞組的某一相通電時， 該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn) 生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關(guān)線 路，從而使定子各項繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換 相。由于電子開關(guān)線路的導通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機械換向器的換向作用。 圖2為

4、三相直流無刷電動機半控橋電路原理圖。此處采用光電器件作為位置傳感器， 以三只功率晶體管 VI、V2和V3構(gòu)成功率邏輯單元。 圖2三相直流無刷電動機 三只光電器件 VP1、VP2和VP3的安裝位置各相差 120度，均勻分布在電動機一端。 借助安裝在電動機軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板的作用，使從光源射來的光線一次照射在各個光電器件 上，并依照某一光電器件是否被照射到光線來判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置。 圖3開關(guān)順序及定子磁場旋轉(zhuǎn)示意圖 圖2所示的轉(zhuǎn)子位置和圖 3 a）所示的位置相對應(yīng)。由于此時廣電器件VP1被光照射， 從而使功率晶體V1呈導通狀態(tài)，電流流入繞組A-A該繞組電流同轉(zhuǎn)子磁極作用后所產(chǎn)生 的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子的磁極按

5、圖3中箭頭方向轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖3 b）所示的位置時，直接 裝在轉(zhuǎn)子軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板亦跟著同步轉(zhuǎn)動，并遮住VP1而使VP2受光照射，從而使晶體 管V1截至，晶體管V2導通，電流從繞組 A-A斷開而流入繞組 B-B使得轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)朝 箭頭方向轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖3 c）所示的位置時，此時旋轉(zhuǎn)遮光板已經(jīng)遮住VP2，使 VP3被光照射，導致晶體管 V2截至、晶體管 V3導通，因而電流流入繞組 C-C,于是驅(qū)動 轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)朝順時針方向旋轉(zhuǎn)并回到圖3 a）的位置。 這樣，隨著位置傳感器轉(zhuǎn)子扇形片的轉(zhuǎn)動，定子繞組在位置傳感器VP1、VP2、VP3的 控制下，便一相一相地依次饋電，實現(xiàn)了各相繞組電流

6、的換相。在換相過程中，定子各相繞 組在工作氣隙內(nèi)所形成的旋轉(zhuǎn)磁場是跳躍式的。這種旋轉(zhuǎn)磁場在360度電角度范圍內(nèi)有三 種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)120度電角度。各相繞組電流與電動機轉(zhuǎn)子磁場的相互關(guān)系如 圖3所示。圖3a）為第一種狀態(tài)，F(xiàn)a為繞組A-A通電后所產(chǎn)生的磁動勢。顯然，繞組電流 與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)過120度電角度后，便進入第二狀 態(tài)，這時繞組 A-A斷電，而B-B隨之通電，即定子繞組所產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)過了120度，如圖 3 b ）所示，電動機定子繼續(xù)沿順時針方向旋轉(zhuǎn)；再轉(zhuǎn) 120度電角度，便進入第三狀態(tài)，這 時繞組B-B斷電，C-C通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場又轉(zhuǎn)過

7、了120度電角度，如圖3 c）所 示；它繼續(xù)驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)過120度電角度后就恢復到初始狀態(tài)。圖4示出了各相繞組的導通順序的示意圖。 / 亠:t B-B f C-C $ ;* 01203 40$60或?qū)?0 圖4各相繞組的導通示意圖 位置傳感器 位置傳感器在直流無刷電動機中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正 確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后去控制定子繞組換相。位 置傳感器種類較多， 且各具特點。在直流無刷電動機中常見的位置傳感器有以下幾種：電磁 式位置傳感器、光電式位置傳感器、磁敏式位置接近傳感器。 電磁式位置傳感器在直流無刷電動機中，用得較多的

8、是開口變壓器。 用于三相直流無刷 電動機的開口變壓器由定子和跟蹤轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子一般有六個極， 它們之間的間隔分 別為60度，其中三個極上繞一次繞組，并相互串聯(lián)后通以高頻電源，另外三個極分別繞上 二次繞組 WA、WB、WC。它們之間分別相隔 120度。跟蹤轉(zhuǎn)子是一個用非導磁材料做成 的圓柱體，并在它上面鑲一塊120度的扇形導磁材料。在安裝時將它與電動機轉(zhuǎn)軸相聯(lián)， 其位置對應(yīng)于某一磁極。一次繞組所產(chǎn)生的高頻磁通通過跟蹤轉(zhuǎn)子上的到此材料耦合到二次 繞組上，故在二次繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而另外兩相二次繞組由于無耦合回路同一次繞組相 聯(lián)，其感應(yīng)電壓基本為零。隨著電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，扇形片也跟著旋轉(zhuǎn)，使

9、之離開當前耦合 一次繞組而向下一個一次繞組靠近。就這樣，隨著電動機轉(zhuǎn)子運動， 在開口變壓器二次繞組 上分別感應(yīng)出電壓。扇形導磁片的角度一般略大于120度電角度，常采用 130度電角度左 右。在三相全控電路中，為了換相譯碼器的需要，扇形導磁片的角度為180度電角度。同 時，扇形導磁片的個數(shù)應(yīng)同直流無刷電動機的極對數(shù)相等。 接近開關(guān)式位置傳感器主要由諧振電路及扇形金屬轉(zhuǎn)子兩部分組成，當扇形金屬轉(zhuǎn)子接 近震 蕩回路電感L時，使該電路的 Q值下降，導致電路正反饋不足而停振，故輸出為零。 扇形金屬轉(zhuǎn)子離開電感元件 L時，電路的Q值開始上升，電路又重新起振，輸出高頻調(diào)制 信號，經(jīng)二極管檢波后，取出有用控制

10、信號，去控制邏輯開關(guān)電路， 以保證電動機正確換向。 光電式位置傳感器前面已經(jīng)講過，是利用光電效應(yīng)制成的， 由跟隨電動機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn) 的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組成。 磁敏式位置傳感器是指它的某些電參數(shù)按一定規(guī)律隨周圍磁場變化的半導體敏感元件。 其基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。常見的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電 阻器及磁敏二極管等多種。 研究結(jié)果表明，在半導體薄片上產(chǎn)生的霍爾電動勢 E可用下式表示: d薄片厚度(m ); p材料電阻率(Q *s); *s) u材料遷移率( 若在上式中各常數(shù)用 KH表示，則有 ); E=KHIHB 霍爾元件產(chǎn)生的電動勢很低，直接應(yīng)用很不方

11、便， 實際應(yīng)用時采用霍爾集成電路?；魻?元件輸出電壓的極性隨磁場方向的變化而變化，直流無刷電動機的位置傳感器選用開關(guān)型霍 爾集成電路。 磁阻效應(yīng)是指元件的電阻值隨磁感應(yīng)強度而變化，根據(jù)磁阻效應(yīng)制成的傳感器叫磁阻電 阻。 三相直流無刷電動機的運行特性 要十分精確地分析直流無刷電動機的運行特性，是很困難的。一般工程應(yīng)用中均作如下 假定： (1) 電動機的氣隙磁感應(yīng)強度沿氣隙按正弦分布。 (2) 繞組通電時，該電流所產(chǎn)生的磁通對氣隙所產(chǎn)生的影響忽略不計。 (3) 控制電路在開關(guān)狀態(tài)下工作，功率晶體管壓降為恒值。 (4) 各繞組對稱，其對應(yīng)的電路完全一致，相應(yīng)的電氣時間常數(shù)忽略不計。 (5) 位置傳感

12、器等控制電路的功耗忽略不計。 由于假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度在電動機氣隙中是按正弦規(guī)律分布的，即 B=BMsin 0 。這樣，如果定子某一相繞組中通一持續(xù)的直流電流，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為 TM=ZDLBMrlsin 0 式中，ZD 每相繞組的有效導體數(shù)； L 繞組中導線的有效長度，即磁鋼長度； r電動機中氣隙半徑； I 繞組相電流。 就是說某一相通以不變的直流后，它和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也將隨轉(zhuǎn)子位置的不 同而按正弦規(guī)律變化，如圖 5所示。 圖5在恒定電流下的單相轉(zhuǎn)矩 它對外負載講，所得的電動機的平均轉(zhuǎn)矩為零。但在直流無刷電動機三相半控電路的工 作情況下，每相繞組中通過1/3周期的矩形波電流

13、。 該電流和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也 只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線上相當于1/3周期的一段，且這一段曲線與繞組開始通電時的轉(zhuǎn)子相對位 置有關(guān)。顯然在圖6a所示的瞬間導通晶體管，則可產(chǎn)生最大的平均轉(zhuǎn)矩。因為在這種情況 下，繞組通電120度的時間里，載流導體正好處在比較強的氣隙磁場中。所以它所產(chǎn)生的 轉(zhuǎn)動脈動最小，平均值較大。習慣上把這一點選作晶體管開始導通的基準點，定為。在=0 度的情況下，電動機三相繞組輪流通電時所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩如圖6b所示。 圖6三相直流無刷電動機半空橋轉(zhuǎn)矩 如若晶體管的導通時間提前或滯后，則均將導致轉(zhuǎn)矩的脈動值增加，平均值減小。當 =30度時，電動機的瞬時轉(zhuǎn)矩過零點，這就是說，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

14、到某幾個位置時，電動機產(chǎn)生 的轉(zhuǎn)矩為零，電動機起動時會產(chǎn)生死點。當 30度后，電動機轉(zhuǎn)矩的瞬時值將出現(xiàn)負值， 則總輸出轉(zhuǎn)矩的平均值更小。因此，在三相半控的情況下，特別是在起動時，不宜大于30 度，而在直流無刷電動機正常運行時，總是盡力把 角調(diào)整到0度，使電動機產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn) 矩最大。當=0度時，可以求得輸出轉(zhuǎn)矩的平均值 sin 0,827Tm 電動機在電動轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動后，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場就要切割定子繞組，在各相 繞組上感生出電動勢，當其轉(zhuǎn)速n不變時，該電動勢波形也是正弦波，相位同轉(zhuǎn)矩相位一 致。在本電路中，每相繞組在一個周期中只通電，因此僅在這 期間對外加電壓起作用。 以對外加電壓而言，感生電

15、動勢波形如圖7所示。 * 1 EW丿 廠 / f 八 0, 8 f Z X / / X / Y V 1 y U. 0. 2 A 八 八 八 / / / / KT 轉(zhuǎn)矩系數(shù)； R電動機的內(nèi)阻（Q）o 在三相半控電路中，其轉(zhuǎn)矩的波動在TM到TM/2 之間，這是直流無刷電動機不利的 一面。 三相直流無刷電動機的應(yīng)用三相半控電路： 常見的三相半控電路如圖8所示，圖中LA、LB、LC為電動機定子 A、B、C三相繞組, VF1、VF2、VF3為三只MOSFET功率管，主要起開關(guān)作用。 H1、H2、H3為來自轉(zhuǎn)子位 置傳感器的信號。如前所述，在三相半控電路中， 要求位置傳感器的輸出信號 1/3周期為高 電平

16、，2/3周期為低電平，并要求各傳感器信號之間的相位也是1/3周期。 圖8三相半控橋電路 和一般電動機一樣， 在電動機起動時，由于其轉(zhuǎn)速很低，故轉(zhuǎn)子磁通切割定子繞組所產(chǎn) 生的反電動勢很小，因而可能產(chǎn)生過大電流I。為此，通常需要附加限流電路，圖9為常見 的一種，圖中的電壓比較器，主要用來限制主回路電流，當通過電動機繞組的電流I在反鎖 電阻Rf上的壓降IRf大于某給定電壓 U0時，比較器輸出低電平，同時關(guān)斷了VF1、VF2、 VF3三只功率場效應(yīng)晶體管，即切斷了主電路。當IRfU0時，比較器不起任何作用。當 IRf U0時，比較器輸出高電平， 這時它不起任何作用。IO=UO/Rf 就是所要限制的電流

17、最 大值，其大小視具體要求而定。一般取額定電流的2倍左右。 圖9起動電流的限制 三相Y聯(lián)結(jié)電路 三相半控電路結(jié)構(gòu)簡單， 但電動機本體的利用率很低， 每個繞組只通電1/3周期，沒有 得到充分的利用，而且在運行中轉(zhuǎn)矩波動較大。在要求較高的場合，一般均采用如圖10所 示的三相全控電路。三相全控電路有兩兩換相和三三換相兩種方式 圖10三相全控電路 在該電路中，電動機的三相繞組為 Y聯(lián)結(jié)。如采用兩兩通電方式，當電流從功率管 VF1 和VF2導通時，電流從 VF1流入A相繞組，再從 C相繞組經(jīng)VF2流回到電源。如果認定 流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，那么從繞組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負，他們合成的轉(zhuǎn)矩大小 為，方

18、向在Ta和-Tc角平分線上。當電動機轉(zhuǎn)過60度后，由VF1VF2通電換成VF2VF3 通電。這時，電流從 VF3流入B相繞組，再從C相繞組流出經(jīng) VF2回到電源，此時合成的 轉(zhuǎn)矩大小同樣為 。但合成轉(zhuǎn)矩T的方向轉(zhuǎn)過了 60度電角度。而后每次換相一個功率管， 合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過60度電角度。所以，采用三相Y聯(lián)結(jié)全控電路兩兩換相方式， 合成轉(zhuǎn)矩增加了 倍。每隔60度電角度換相一次，每個功率管通電120度，每個繞組通電 240度，其中正向通電和反向通電各120度。其輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖11所示。從圖中可以看 出，三相全控室的轉(zhuǎn)矩波動比三相半控時小，從0.87Tm到Tm。 60120180 240

19、 300360 圖11全控橋輸出波形圖 三三通電方式，這種通電的順序為 VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、 VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3。當 VF6VF1VF2 導通時，電流從 VF1管流入A相繞組，經(jīng)B和C相繞組分別從 VF6和VF2流出。經(jīng)過60度電角度后，換 相到VF1VF2VF3通電，這時電流分別從 VF1和VF3流入，經(jīng)A和B相繞組再流入 C相繞 組，經(jīng)VF2流出。在這種通電方式里，每瞬間均有三個功率管通電。每隔60度換相一次， 每次有一個功率管換相，每個功率管通電180度。合成轉(zhuǎn)矩為1.5Ta. 三相聯(lián)結(jié)電

20、路也可以分為兩兩通電和三三通電兩種控制方式。 兩兩通電方式的通電順序是 VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1、 VF1VF2，當VF1VF2導通時，電流從 VF1流入，分別通過 A相繞組和B、C兩相繞組，再 從VF2流出。這時繞組的聯(lián)結(jié)是 B、C兩相繞組串聯(lián)后再通 A相繞組并聯(lián)，如果假定流過 A相繞組的電流為I，則流過B、C相繞組的電流分別為1/2。這里的合成轉(zhuǎn)矩為 A相轉(zhuǎn)矩 的1.5倍。 三三通電方式的順序是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、 VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3

21、，當 VF6VF1VF2 通電時，電流從 VF1 管流入， 同時經(jīng)A和B相繞組，再分別從 VF6和VF2管流出，C相繞組則沒有電流通過，這時相當 于A、B兩相繞組并聯(lián)。這時相當于A、B兩繞組并聯(lián)，合成轉(zhuǎn)矩為A相轉(zhuǎn)矩的倍。 直流無刷電動機的微機控制 8751 的 P1 口同 7406 H2、 圖12示出采用8751單片機來控制直流無刷電動機的原理框圖。 反相器聯(lián)結(jié)控制直流無刷電動機的換相，P2 口用于測量來自于位置傳感器的信號H1、 H3，P0 口外接一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 P1 INTEL PO i 7406 5 衛(wèi)LI B C 圖12直流無刷電動機計算機控制原理圖 換相的控制 根據(jù)定子繞組的換相方

22、式，首先找出三個轉(zhuǎn)子磁鋼位置傳感器信號 態(tài)，與6只功率管之間的關(guān)系， 以表格形式放在單片機的 H2、H3的狀態(tài)，可以找到相對應(yīng)的導通的功率管，并通過 電動機的換相。 H1、H2、H3 EEPROM 中。8751根據(jù)來自 P1 口送出，即可實現(xiàn)直流無刷 的狀 H1、 起動電流的限制 主回路中串入電阻 R13，因此Uf=R13*IM ，其大小正比于電動機的電流IM。而Uf和 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓 U0分別送到LM324運算放大器的兩個輸入端，一但反饋電壓大于 Uf大于來自數(shù)模轉(zhuǎn)換的給定信號U0,則LM324輸出低電平，使主回路中3只功率管VF4、 VF6、VF2不能導通，從而截斷直流無刷電動機定子

23、繞組的所有電流通路，迫使電動機電流 下降，一旦電流下降到使 Uf小于U0 ,則LM324輸出回到高電平。主回路又具備導通能力， 起到了限制電流的作用。 轉(zhuǎn)速的控制 在直流無刷電動機正常運行的過程中，只要通過控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U0,就可 控制直流無刷電動機的電流，進而控制電動機的電流。即8751單片機通過傳感器信號的周 期，計算出電動機的轉(zhuǎn)速，并把它同給定轉(zhuǎn)速比較，如高于給定轉(zhuǎn)速，則減小P2 口的輸出 數(shù)值，降低電動機電流，達到降低其轉(zhuǎn)速的目的。反之，則增大P2 口的輸出數(shù)值，進而增 大電動機的轉(zhuǎn)速。 PWM控制的實現(xiàn) 轉(zhuǎn)速控制也可以通過 PWM方式來實現(xiàn)。圖13和圖14為PWM控制實現(xiàn)直

24、流無刷電動 機轉(zhuǎn)速的控制。 圖13 PWM控制原理圖 P 2 P Q!nnTTnT_ 卜*L- /?&/? K4 機 動 電 J 1 * TTLnu i 1 1 /尺 ?AHU 3 圖14 PWM控制原理圖 直流無刷電動機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，通過改變換相次序來改變其轉(zhuǎn)動方向。具體做法只需要更 換一下?lián)Q相控制表。 變結(jié)構(gòu)控制的實現(xiàn) 當直流無刷電動機處于起動狀態(tài)或在調(diào)整過程中，采用直流無刷電動機的運行模式，以 實現(xiàn)動態(tài)相應(yīng)的快速性， 一旦電動機的轉(zhuǎn)速到了給定值附近，馬上把它轉(zhuǎn)入同步電動機運行 模式，以保證其穩(wěn)速精度。這時計算機只需要按一定頻率控制電動機的換相，與此同時，計 算機在通過位置傳感器的信號周期，

25、來測量其轉(zhuǎn)速大小，并判斷它是否跌出同步。 一旦失布， 則馬上轉(zhuǎn)到直流無刷電動機運行，并重新將其拉入同步。 0 代流無刷電動 機運行模式 1. 給定轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速檢測 同歩電動機 運行模式 轉(zhuǎn)速 _ 轉(zhuǎn)速菖町 1 圖15直流無刷電動機的變結(jié)構(gòu)控制 一、無刷電動機的組成結(jié)構(gòu)和工作原理 三相永磁無刷電動機和一般的永磁有刷電動機相比，在結(jié)構(gòu)上有很多相近或相似之處。 用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷電動機的定子磁極，用具有三相繞組的定子取代電樞， 用逆變 器和轉(zhuǎn)子位置檢測器組成的電子換相器取代有刷電機的機械換相器和電刷，就得到了三相永 磁無刷電動機。 1.無刷電動機結(jié)構(gòu)特點 無刷電動機屬于三相永磁同步電機的范疇，

26、永磁同步電動機的磁場來自電動機轉(zhuǎn)子上的 永久磁鐵。在這里，永久磁鐵的特性，在很大程度上決定電動機的特性。目前采用的永磁材 料主要有鐵淦氧、鋁鎳鈷、釹鐵硼、等根據(jù)幾種的磁感應(yīng)強度和磁場強度成線性關(guān)系這一 特點，應(yīng)用最為廣泛的就是釹鐵硼。它的線性關(guān)系范圍最大，被稱為第三代稀土永磁合金。 在轉(zhuǎn)子上安置永磁鐵的方式有兩種：一種是將成型的永久磁鐵裝在轉(zhuǎn)子表面，即所謂外裝式； 另一種是將成型的永久磁鐵埋入轉(zhuǎn)子里面，即所謂內(nèi)裝式。根據(jù)永久磁鐵安裝方法不同，永 久磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種。扇形磁鐵構(gòu)造的轉(zhuǎn)子具有電樞電感小、齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩 小的優(yōu)點，但易受電樞反應(yīng)的影響。 且由于磁通不可能集中、 氣隙磁密度

27、低，電極呈現(xiàn)凸的 特性。矩形磁鐵構(gòu)造的轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)凸極特性，電電感大、齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩大，但磁通可集中，形 成高磁通密度，故適于大容量電機，由于電動機呈現(xiàn)凸極特性，可以利用磁阻轉(zhuǎn)矩，此外， 這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永久磁鐵，不易飛出，故可作高速電機使用。根據(jù)確定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所對應(yīng) 的每相勵磁通勢合布不同，三相永磁同步電機可分為兩種類型：正弦波形和方波形永磁同步 電機，前者每相勵磁磁通勢分布是正弦波形，后者每相則是方波狀， 根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)和永磁體 形狀的不同而不同，對于徑向勵磁結(jié)構(gòu)，永磁體直接面向均勻氣隙如果采用稀大材料，由于 采用非均勻氣隙或非均勻磁場化方向長度的永磁體的徑向勵磁結(jié)構(gòu)，氣隙磁場波形可以實現(xiàn) 正弦分布

28、。應(yīng)該指出稀士永磁方波形電機屬于永磁無刷直流電機的范疇，而稀土永磁體正 弦波形電動機則一般作為三相交流永磁同步伺服電機使用。但這不是絕對的，究竟是三相永 磁直流無刷電動機還是三相永磁交流同步電機，主要決定于電動機的控制系統(tǒng)的方式，取決 于電動機的轉(zhuǎn)子位置傳感器的類型。 2. 三相永磁直流無刷電動機的轉(zhuǎn)子位置傳感器 永磁同步電動機的控制系統(tǒng)都屬于自控式變頻系統(tǒng)，就是說電動機的換相狀態(tài)是由轉(zhuǎn)子 的位置決定的，電動機的控制頻率是由轉(zhuǎn)子的運行速度決定的，這就需要轉(zhuǎn)子的位置檢測器。 轉(zhuǎn)子的位置檢測器有多種，正弦波永磁同步電機一般采用旋轉(zhuǎn)變壓器式、絕對式光電脈沖編 碼器或增量式光電脈沖編碼器作為位置檢測器

29、。而在永磁直流無刷電動機 （方波電動機）中， 一般采用簡易型的位置檢測器，該器件不能用來檢測轉(zhuǎn)子的精確位置，其檢測精度通常只有 60的電角度，其主要作用是為了滿足電動機的換相要求。位置傳感器是直流無刷電動機系 統(tǒng)組件部分之一，也是區(qū)別于直流有刷電機和直流無刷電動機的主要標志。其作用是檢測主 轉(zhuǎn)子在運動過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，為邏輯開關(guān)電路提供正確 的換相信息。以控制它們的導通和截止， 使電動機電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按 次序換相。形成氣隙中步進式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)。位置傳感器的 種類很多，有電磁式、光電式、磁敏式等。它們各具特點，然而由于磁

30、敏式霍耳位置傳感器 具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、安裝靈活方便、易于機電一體化等優(yōu)點，故目前得到越來越廣泛的 應(yīng)用。當磁場中的導體有電流通過時，其橫向不受到力的作用，同時還出現(xiàn)電壓，這個現(xiàn)象 后來被稱為霍耳效應(yīng)。 隨后人們又發(fā)現(xiàn)，不僅是導體而且半導體中也存在霍耳效應(yīng)。并且霍 耳電動勢更明顯，這是由于半導體有比導體更大的霍耳系數(shù)的緣故。 霍耳傳感器按功能和應(yīng)用可分為線性型和開關(guān)型兩種 （1）線性型線性型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍耳元件、差分放大器、輸出級等部分組 成，輸入為變化的磁感應(yīng)強度得到與磁場強度成線性關(guān)系的輸出電壓，可用于磁場測量、 電 流測量、電壓測量等。（2）開關(guān)型 開關(guān)型傳感器是由電壓調(diào)整器

31、、霍耳元件、差分放大 器、施密特觸發(fā)器和輸出級等部分組成。輸入為磁感應(yīng)強度，輸出為開關(guān)信號。直流無刷電 動機的轉(zhuǎn)子位置檢測器屬于開關(guān)型的傳感器。直流無刷電機的霍耳位置傳感器和電機的本 體一樣，也是由靜止部分和運動部分組成，即位置傳感器定子和傳感器轉(zhuǎn)子。其轉(zhuǎn)子與電機 主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電動機主轉(zhuǎn)子的位置，即可以直接利用電動機的永磁轉(zhuǎn)子，也可以 在轉(zhuǎn)軸其它位置上另外安裝永磁轉(zhuǎn)子。定子由若干個霍耳元件，按一定的間隔，等距離的安 裝在傳感器定子上，以檢測電動機轉(zhuǎn)子的位置。位置傳感器的基本功能是在電動機的每一 個電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。位置傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極（N S 幾極）的

32、轉(zhuǎn)角，也就是說每轉(zhuǎn)過360電角度，就要產(chǎn)生出與電動機繞組邏輯分配狀態(tài)相對 應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。以完成電動的一個換流全過程，如果轉(zhuǎn)子的極對數(shù)越多，則在360機械 角內(nèi)完成該換流全過程的次數(shù)也就越多。 霍耳位置傳感器必須滿足以下兩個條件： （1）、位置傳感器在一個電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)是不重復的，每一個開關(guān)狀態(tài)所占 的電角度相等。（2）、位置傳感器在一個電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)數(shù)應(yīng)和電動機的工作 狀態(tài)數(shù)相對應(yīng)。位置傳感器輸出的開關(guān)狀態(tài)能滿足以上條件，那么總可以通過一定的邏輯 變換將位置傳感器的開關(guān)狀態(tài)與電動機的換相狀態(tài)對應(yīng)起來，進而完成換相。對于三相無刷 直流電動機，其位置傳感器的霍耳元件的數(shù)量是3

33、，安裝位置應(yīng)當間隔120電角度，其輸出 信號是Ha Hb Hco 3. 三相直流無刷電動機的換相原理 三相永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號Ha、Hb He在每360電角度內(nèi)給出 了 6個代碼，按其順序排列，6個代碼是101、100、110、010、011、001，其波形見圖一。 當然這一順序與電動機的轉(zhuǎn)動方向有關(guān)，如果轉(zhuǎn)向反了，代碼順序也就倒過來。 三相永磁無 刷電動機的電子換相器主回路，也就是由6個功率開關(guān)元件組成的三相H形橋式逆變器。請 見下圖二：圖三是三相永磁無刷直流電動機的定子繞組的結(jié)構(gòu)示意圖。其中線A-X表示與 A相繞組軸線相交的位置；線 B-Y表示與B相繞組軸線相交的位置；線 C-Z表示與C相繞組 軸線相交的位置；顯然由A-X、B-Y、C-Z交叉形成了 6個60的扇區(qū)，我們也把此圖稱作“定 子空間的扇區(qū)圖”?？梢酝ㄟ^兩種不同的途徑來分析無刷電動機的換相過程，一是利用剛