無刷直流電機(jī)的原理和控制——介紹

1、 2009 Hogan & Hartson LLP. All rights reserved.December.2014December.2014無刷直流電機(jī)的原理和應(yīng)用無刷直流電機(jī)的原理和應(yīng)用The principle and application of Brushless DC Motor2目目 錄錄v發(fā)展歷程發(fā)展歷程v無刷直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)無刷直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)v應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域v基本原理基本原理v控制技術(shù)控制技術(shù)3v發(fā)展歷程發(fā)展歷程初衷：克服機(jī)械換相帶來的缺點(diǎn)，以電子換相取代機(jī)械換相發(fā)展過程：1955年美國(guó)DHarrison等人首次申請(qǐng)了用晶體管換相電路代替機(jī)械電刷的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷電動(dòng)

2、機(jī)的誕生；而電子換相的無刷直流電動(dòng)機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用階段，1978年德國(guó)推出MAC無刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的推出，標(biāo)志著走入實(shí)用化階段；之后，國(guó)際上對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了深入的研究，先后研制成方波無刷電機(jī)和正弦波直流無刷電機(jī)發(fā)展方向：控制更精密；功率更大；無位置傳感器；降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；4v無刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)（一）無刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)（一）有刷電機(jī)采用機(jī)械換向，壽命短噪聲大產(chǎn)生電火花，效率低。它長(zhǎng)期使用碳刷磨損嚴(yán)重，較易損壞。同時(shí)磨損產(chǎn)生了大量的碳粉塵，這些粉塵落軸承中，使軸承油加速干涸，電機(jī)噪聲進(jìn)一步增大。有刷電機(jī)連續(xù)使用一定時(shí)間就需更換電機(jī)內(nèi)碳刷。無刷電機(jī)以電子換向取代機(jī)械換向，無機(jī)械摩擦，無磨損，無電火花，免

3、維護(hù)且能做到更加密封等特點(diǎn)所以技術(shù)上要優(yōu)于有刷電機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī)的永磁體，現(xiàn)在多采用高磁能積的稀土釹鐵硼材料。因此，稀土永磁無刷電動(dòng)機(jī)的體積比同容量三相異步電動(dòng)機(jī)縮小了一個(gè)機(jī)座號(hào)。5v無刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)（二）無刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)（二） 無刷直流電機(jī)的高效率，高效區(qū)域大，功率和轉(zhuǎn)矩密度高，功率因數(shù)（COS）接近1，系統(tǒng)效率90%,永磁無刷直流電機(jī)在任何情況下轉(zhuǎn)子都是同步運(yùn)行，交流變頻電機(jī)是變頻調(diào)速，無刷直流電機(jī)是調(diào)速變頻，電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，轉(zhuǎn)子既無銅耗又無鐵耗。無刷直流電機(jī)具有低電壓特性好，轉(zhuǎn)矩過載特性強(qiáng)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大（堵轉(zhuǎn)特性），啟動(dòng)電流小等優(yōu)點(diǎn)。寬調(diào)速小體積高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小，自控式運(yùn)行的，可以重

4、載啟動(dòng)，在負(fù)載突變時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步6v應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域汽車：空調(diào)；油泵電機(jī)；電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)；電動(dòng)自行車；摩托車起動(dòng)電機(jī)等家用電器：變頻空調(diào)；變頻冰箱；變頻洗衣機(jī)；吸塵器；攪拌機(jī)等；工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備：縫紉機(jī)；高檔數(shù)控加工設(shè)備、工業(yè)智能機(jī)器人、自動(dòng)化生產(chǎn)流水線、自動(dòng)紡織、包裝、冶金等；精密電子設(shè)備和儀器：醫(yī)療器械；打印機(jī)；復(fù)印機(jī)等；其它：航空航天；兵器等;7v基本原理（一）基本原理（一）t無刷直流電機(jī)組成部分：電機(jī)本體、位置傳感器、電子開關(guān)線路； t電機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似；t電子開關(guān)線路由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號(hào)處理單元兩部分組成；t電子開關(guān)線路導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的

5、，起機(jī)械換向器的換向作用。8v基本原理（二）基本原理（二） 定定子子 永永磁磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 傳傳感感器器定定子子 傳傳感感器器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 9v基本原理（三）基本原理（三）轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60o，逆變器開關(guān)管換流一次、定子磁狀態(tài)改變一次，電機(jī)有6個(gè)磁狀態(tài)，三相各導(dǎo)通120o轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)順時(shí)針連續(xù)旋轉(zhuǎn)、定子磁場(chǎng)隔60O跳躍旋轉(zhuǎn)10v基本原理（四）基本原理（四）11v基本原理（五）基本原理（五）12v控制系統(tǒng)（一）控制系統(tǒng)（一）控制電路對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電動(dòng)機(jī)各相繞組按一定順序工作，在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。13v控

6、制系統(tǒng)（二）控制系統(tǒng)（二） VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US - - 位置檢測(cè)器的三個(gè)輸出信號(hào)通過邏輯電路控制這些開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：。14v控制系統(tǒng)（三）控制系統(tǒng)（三）有位置傳感器檢測(cè)磁敏式光電式電磁式接近開關(guān)式正余弦變壓器編碼器15v控制系統(tǒng)（四）控制系統(tǒng)（四）無位置傳感器檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)定子三次諧波檢測(cè)瞬時(shí)電壓方程法16v控制系統(tǒng)（五）控制系統(tǒng)（五）17v控制系統(tǒng)（六）控制系統(tǒng)（六）逆變電路：功率開關(guān)管T1T6、續(xù)流二極管D1D6功率開關(guān)管TlT6通常為GTR、功率MOSFET、IGBT、GTO以及MCT等功率電

7、子器件，也可以為功率集成電路PIC或智能功率模塊IPM18v控制系統(tǒng)（七）控制系統(tǒng)（七） 驅(qū)動(dòng)電路將控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路的工作方式直接影響著開關(guān)管的一些參數(shù)和特性，從而影響著整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作。開關(guān)管的種類不同，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求也不同，因而對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路也不同。19v控制系統(tǒng)（八）控制系統(tǒng)（八）20v控制系統(tǒng)（九）控制系統(tǒng)（九）控制電路是無刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：1)對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)、PWM調(diào)制信號(hào)、正反轉(zhuǎn)和停車信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合, 給驅(qū)動(dòng)電路提供各開關(guān)管的

8、斬波和選通信號(hào), 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。2)產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào)而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。3)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。4)實(shí)現(xiàn)短路、過流和欠壓等故障保護(hù)功能等。21v控制系統(tǒng)（十）控制系統(tǒng)（十）控制器模擬控制系統(tǒng) 數(shù)字控制系統(tǒng) 分立元件加少量集成電路構(gòu)成的模擬控制系統(tǒng) 基于專用集成電路的控制系統(tǒng) 數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng) 全數(shù)字控制系統(tǒng) 22v控制系統(tǒng)（十一）控制系統(tǒng)（十一）可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制 提高了控制的靈活性和適應(yīng)性 無零點(diǎn)漂移，控制精度高 可提供人機(jī)界面，多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作 使電路更簡(jiǎn)單 23v控制系統(tǒng)（十二）控制系統(tǒng)（十二） 速速度度給給定定 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向向設(shè)設(shè)定定 ACH0 WG1 WG1 WG2 WG2 WG3 WG3 柵柵極極 驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng) 電電路路 IR2130 IGBT 位位置置傳傳感感器器 P