直流無(wú)刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)課件

PMSM的問(wèn)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(cè)量d-q坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角；反電勢(shì)必須是正弦波的，這對(duì)電機(jī)制造及工藝提出了較高的要求。

反電勢(shì)必須是正弦波的才能產(chǎn)生正弦電流3.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)

（BrushlessDirectCurrentMotor,BLDC）

1、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)2、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理3、無(wú)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(zhuān)門(mén)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。2.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。6步通電順序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-6.A+C-6步通電順序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。6步通電順序隨著磁場(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)順時(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-開(kāi)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(mén)輸出低電壓，稱(chēng)這種狀態(tài)為“開(kāi)”;當(dāng)施加磁場(chǎng)達(dá)到“釋放點(diǎn)”使OC門(mén)輸出高電壓，稱(chēng)其為“關(guān)”基于這個(gè)原理，可制成接近開(kāi)關(guān)。

如果將一只霍爾傳感器安裝在靠近轉(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(kāi)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(wú)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。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(guò)程。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-

1.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)格同相的方波電流直流有刷電機(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(guò)換向機(jī)構(gòu)換向，直流無(wú)刷電機(jī)通過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)及逆變器換相。BLDC電機(jī)每一個(gè)定子繞組回路與DC電機(jī)電樞回路是類(lèi)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)，其極性也與電壓和電流一致。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)間都有兩相繞組流過(guò)相同電流，

T=2KeIa可見(jiàn)，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)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)：每次換向時(shí)，由于繞組電感的作用電流不能突變，電流的過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生力矩波動(dòng)。由于轉(zhuǎn)矩存在波動(dòng)，限制了它在高精度的速度、位置控制系統(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。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(guò)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(guò)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：dsPIC30F2010的PWM模塊MCPWM的PWM時(shí)基模塊中有一個(gè)專(zhuān)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)改變比較器的值，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(guò)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。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BLDC系統(tǒng)：例2單片三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器SI9979

SI9979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驅(qū)動(dòng)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BLDC系統(tǒng)BLDC的特點(diǎn)與DC電機(jī)比較：由于沒(méi)有電刷