第10章 無刷直流電動機1

2023/2/11第10章無刷直流電動機BrushlessDCMotor

10.1概述10.2無刷直流電動機系統(tǒng)組成10.3三相無刷直流電動機運行分析10.4無刷直流電動機的模型10.5無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩脈動10.6無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測10.7無刷直流電動機的電樞反應10.8無刷直流電動機改變轉(zhuǎn)向的方法2023/2/1210.1概述

傳統(tǒng)有刷直流電機的優(yōu)點：機械特性線性，調(diào)節(jié)特性線性，調(diào)速和起動性能好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，廣泛用于驅(qū)動和伺服系統(tǒng)缺點：電刷和換向器產(chǎn)生火花，引起干擾；定期維護無刷直流電機：用電子開關電路和位置傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機中的電刷和換向器既有普通有刷電機的調(diào)速特性，又克服了電刷和換向器帶來的缺點通過電子線路進行控制和運行----電子運行電機電子換向器代替機械換向器----電子換向式電機

ECM（ElectronicallyCommutatedMotor）2023/2/132023/2/142023/2/152023/2/162023/2/172023/2/182023/2/192023/2/1102023/2/1112023/2/11210.2無刷直流電動機的基本組成

由電動機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器、功率電子開關線路和控制器等4部分組成

直流電源通過電子開關線路向電動機定子繞組供電位置傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子位置并送入控制器控制器經(jīng)過邏輯處理產(chǎn)生相應的換相信號以一定的規(guī)律控制電子開關線路中的功率開關器件將電源順序分配給電動機定子的各相繞組2023/2/1132023/2/1141—電動機定子；2—電動機轉(zhuǎn)子；3—傳感器定子；4—傳感器轉(zhuǎn)子；5—電子開關線路+控制器2023/2/115無刷直流電動機電動機本體控制器及電子開關電路轉(zhuǎn)子位置傳感器電動機轉(zhuǎn)子電動機定子位置信號處理功率邏輯開關2023/2/11610.2.1電動機本體

電動機本體－－定子和轉(zhuǎn)子組成滿足電磁方面的要求

①保證在工作氣隙中產(chǎn)生足夠的磁通②電樞繞組允許流過一定的電流以便產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩應滿足機械方面的要求內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子形式2023/2/1172023/2/118

定子－－無刷直流電機的電樞

定子鐵心－－導磁電樞繞組－－導電定子鐵心中放置對稱的多相電樞繞組常用兩種定子結(jié)構(gòu)

①

定子磁極凸極（大齒）結(jié)構(gòu)大齒表面開有多個小齒大齒上繞有非跨接式的集中繞組－－分數(shù)槽繞組②與普通交流電機鐵心類似槽中嵌放跨接式的集中或分布繞組線圈整距或短距多相電樞繞組接成星形或封閉形（角形）繞組接電子開關線路中的功率開關管2023/2/1192023/2/1202023/2/1212023/2/1222023/2/1232023/2/124轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)

由永磁體、導磁體和支撐部件組成永磁體形成一定極對數(shù)的轉(zhuǎn)子磁極（2p＝2，4，6，等）在電動機氣隙中建立足夠的磁場永磁體有徑向勵磁或切向勵磁形式三種結(jié)構(gòu)

表面粘貼式－－永磁體徑向磁化的瓦片形內(nèi)嵌式－－切向磁化的永磁體插入轉(zhuǎn)子鐵心整體粘結(jié)式－－外套整體粘結(jié)徑向磁化永磁體環(huán)2023/2/1252023/2/1262023/2/1272023/2/1282023/2/1292023/2/1302023/2/1312023/2/132無刷直流電機磁場分布－－矩形波感應反電動勢－－方波或梯形波2023/2/133

轉(zhuǎn)子磁場相對于定子繞組位置的檢測是無刷直流電動機運行的關鍵位置檢測的直接法－－采用位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號電磁式、光電式、霍爾元件式正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器編碼器位置檢測的間接法－－無位置傳感器位置檢測利用檢測電量信號來間接判斷轉(zhuǎn)子磁極位置電動機定子繞組的反電動勢檢測法端電壓檢測法10.2.2位置傳感器2023/2/134

1－信號線圈；2－導磁片；3－磁心；4—鋁合金；5—副邊線圈；6—環(huán)氧樹脂；7—激磁線圈（1）電磁式位置傳感器－－利用電磁感應原理工作定子：鐵心和線圈定子鐵心的中間為圓柱體，放勵磁繞組Wj，施加高頻（幾kHz~幾十kHz）電源勵磁定子鐵心沿定子圓周有軸向凸出的極，極上套信號線圈（Wa、Wb和Wc）以感應信號電壓轉(zhuǎn)子：導磁扇形片放置在不導磁的鋁合金圓形基盤上制成，固定在電動機轉(zhuǎn)軸上，扇形片數(shù)等于電機極對數(shù)2023/2/135勵磁電源的頻率高達幾千赫茲以上，故定子鐵心及轉(zhuǎn)子導磁扇形片均由高頻導磁材料制成實際上是有著共同勵磁線圈的幾個開口變壓器扇形導磁片隨著電動機轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，其與傳感器定子圓周凸極的相對位置發(fā)生變化，使開口變壓器磁路的磁阻變化，信號線圈匝鏈的磁通大小變化，感應出不同幅值的電動勢，依此判斷轉(zhuǎn)子位置。2023/2/136（2）光電式傳感器－－利用光電效應而工作結(jié)構(gòu)：

由固定在定子上的數(shù)個光電耦合開關和固定在轉(zhuǎn)子軸上的遮光盤所組成遮光盤上開有透光槽（孔），其數(shù)目等于電動機轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)，且有一定的跨度光電耦合開關由軸向相對的紅外發(fā)光二極管和光電管（光電二極管或三極管）所組成，沿圓周均勻分布2023/2/137工作原理：紅外發(fā)光二極管通電發(fā)出紅外光當遮光盤隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，光線依次通過光槽，使對著的光電管導通產(chǎn)生反應轉(zhuǎn)子相對定子位置的電信號特點：

光電式位置傳感器性能較穩(wěn)定輸出直流電信號，無需再進行整流產(chǎn)生的電信號一般比較弱，需要放大2023/2/138（3）霍爾元件式－－利用“霍爾效應”產(chǎn)生輸出電壓霍爾元件是其電參數(shù)按一定規(guī)律隨周圍磁場變化的半導體磁敏元件用霍爾半導體材料制成長為l、寬為m、厚為d的六面體4端子元件根據(jù)霍爾效應原理，如果在垂直于lm面沿厚度方向穿過磁場B，在垂直于md面沿l方向施加控制電流I，則在寬度m方向上會產(chǎn)生霍爾電動勢EH，可以表示為：2023/2/1392023/2/140霍爾元件式位置傳感器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成電動機轉(zhuǎn)子磁極的永磁體兼作位置傳感器轉(zhuǎn)子產(chǎn)生勵磁磁場

霍爾元件間隔一定角度安置于電機定子作傳感器定子并通以控制電流2023/2/1412023/2/142功率器件采用具有自關斷能力的全控器件GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等功率MOSFET和IGBT目前已占主導地位逆變主電路一般有橋式或非橋式（半橋式）兩種與電機電樞繞組的連接有不同的組合10.2.3功率電子驅(qū)動電路2023/2/1432023/2/1442023/2/145電樞繞組的相數(shù)和功率主電路連接方式不同，電機轉(zhuǎn)矩脈動及繞組利用率不同。

相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩脈動越小相同相數(shù)下，橋式電路比非橋式電路轉(zhuǎn)矩脈動小，繞組利用率高隨著相數(shù)的增多，驅(qū)動電路中使用的開關器件也越多，成本也就越高

三相星形橋式驅(qū)動電路采用兩兩導通方式工作，其繞組利用率較高、力矩波動小，因而得到廣泛應用。注意：

無刷直流電動機控制系統(tǒng)中驅(qū)動電路的頻率由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速決定－－“自控式逆變器”電機中相繞組的頻率和電機轉(zhuǎn)速始終保持同步，不會產(chǎn)生振蕩和失步。2023/2/14610.2.4控制器

無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心功能：

(1)對轉(zhuǎn)子位置信號、正反轉(zhuǎn)和停車信號進行邏輯綜合，為功率驅(qū)動電路各開關管提供選通信號（換相信號），實現(xiàn)電機的正、反轉(zhuǎn)及停車控制；

(2)在固定的供電電壓下，根據(jù)速度給定和負載大小，產(chǎn)生PWM調(diào)制信號，實現(xiàn)電機開環(huán)或閉環(huán)控制；

(3)實現(xiàn)短路、過流、過電壓和欠電壓等故障檢測和保護2023/2/147控制器的主要形式有：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)單片機和數(shù)字信號處理器（DSP）以及新型電機控制專用芯片，以微控制單元（MCU）為核心的數(shù)字式控制器得到了普及。2023/2/148MC330332023/2/1492023/2/1502023/2/15110.3無刷直流電動機運行分析10.3.1工作原理

三相無刷直流電動機電機本體是一兩極的永磁電動機定子三相對稱繞組按Y連接，無中線功率驅(qū)動采用三相全橋式電路兩兩導通工作方式2023/2/1522023/2/1532023/2/154

(a)A+B-(b)A+C-(c)B+C-(d)B+A-

(e)C+A-(f)C+B-2023/2/155A、B、C三相繞組每隔60°換相一次每一時刻總有兩相繞組同時通電功率開關管的導通規(guī)律為→VT1、VT2→VT3、VT2→VT3、VT4→VT5、VT6→VT5、VT4

共有六個導通狀態(tài)每一狀態(tài)都有兩個開關管同時導通每個開關管導通120°此通電方式稱為兩兩導通三相六狀態(tài)→VT1、VT62023/2/1562023/2/1572023/2/158gatedgated+_RectangularShapingofCurrentsbyCurrentRegulationChargingActionUpperCurrentLimit2023/2/159UpperCurrentLimitLowerCurrentLimitGatingremovedRectangularShapingofCurrentsbyCurrentRegulationDischargingActionbyReverseVoltageChopping+_2023/2/160FreewheelingintervalUpperCurrentLimitTimeDelaygated+_RectangularShapingofCurrentsbyCurrentRegulationDischargingActionbyFreewheelingChopping2023/2/161gatedgated+_currentdecreasingcurrentincreasingPhaseCommutationAstherotortravelsalong,theHallprobepositionsensorindicateswhichtransistorsneedtobegated.Transitionsfromoneuppertransistortoanotheruppertransistoralternatewithtransitionsamongthelowertransistors.Illustratedhereisanuppertransistortransition,fromB-uppertoC-upper.AtthemomentwhentheC-upperintervalisindicatedbytheHallprobepositionsensor,gatingisremovedfromtheB-uppertransistorandisappliedtotheC-uppertransistor.ThecurrentinmotorphaseBdivertsintothelowerflybackdiode.ThecurrentinphaseCincreasesasthecurrentinphaseBdecreasesandsoonextinguishes.Commutationonthelowertransistorsissimilar.Dependingonconditions,currentregulationmaybeneededbeforecommutationiscompleted.2023/2/162轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，電樞導體切割轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場或者說電樞繞組匝鏈的轉(zhuǎn)子永磁體磁通發(fā)生變化在繞組中產(chǎn)生的感應電動勢------電樞反電動勢反電動勢的大小和波形與氣隙永磁場的幅值大小、分布形狀和繞組結(jié)構(gòu)形式有關無刷直流電機中，由轉(zhuǎn)子永磁極產(chǎn)生的氣隙磁通密度沿圓周方向的理想分布為矩形為減少漏磁，實際電機的永磁極極弧長度均小于極距永磁極的邊緣存在漏磁假如不考慮定子齒槽影響，考慮到以極中心線為對稱，在極弧范圍內(nèi)基本維持不變，在磁極邊緣處逐漸衰減10.3.2電樞繞組感應電動勢及電流2023/2/163

A相正電動勢的方向繞組中電動勢和電流正方向無刷直流電動機反電動勢（感應電動勢）為梯形波，為產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，電流調(diào)制為方波??！2023/2/1642023/2/165反電動勢的幅值Ea

根據(jù)切割定理求得：Da為電樞鐵心內(nèi)徑l為鐵心長度磁通密度幅值Bgm保持不變反電動勢幅值Ea正比于轉(zhuǎn)速n：2023/2/166取A相正向、B相反向通電區(qū)間繞組線電壓等于直流電源電壓

堵轉(zhuǎn)電流為：電流：2023/2/167電磁轉(zhuǎn)矩:10.3.3電磁轉(zhuǎn)矩任何時刻，定子三相繞組中只有兩相導通電磁功率:取A相正向通電，B相反向通電的時間區(qū)間導體均處于磁通密度幅值為Bgm的磁場下均流過大小為Ia的電流電磁轉(zhuǎn)矩:2023/2/168勵磁磁場主要由永磁體勵磁，認為恒定當電流調(diào)制為方波時勵磁恒定時電磁轉(zhuǎn)矩正比于電樞電流通過控制定子電流的大小就可以控制轉(zhuǎn)矩無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩具有良好的可控性理想化的輸出轉(zhuǎn)矩平滑穩(wěn)定電磁轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩是反電動勢、電流和