Chapter 7 永磁無(wú)刷DC電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

Chapter7永磁無(wú)刷DC電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（PermanentMagnetBrushlessDCMotorDriveSystem)直流電動(dòng)機(jī)（DCMotor）特點(diǎn)起動(dòng)和調(diào)速性能好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，被廣泛應(yīng)用于各種驅(qū)動(dòng)和伺服系統(tǒng)中。DC電動(dòng)機(jī)（續(xù)）但是，直流電動(dòng)機(jī)具有電刷和換向器組成的機(jī)械換向裝置，其間的滑動(dòng)接觸，嚴(yán)重地影響電機(jī)的精度和可靠性，縮短電機(jī)壽命，需要經(jīng)常性的維護(hù)，所產(chǎn)生的火花會(huì)引起無(wú)線(xiàn)電干擾；電刷換向器裝置又使直流電機(jī)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，工作噪音大。Chapter7PMBLDCM永磁無(wú)刷DC電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（PermanentMagnetBrushlessDCMotorDrives，簡(jiǎn)稱(chēng)為PMBLDCM）Chapter7PMBLDCM是集永磁電動(dòng)機(jī)、微處理器、功率變換器、檢測(cè)元件、控制軟件和硬件于一體的新型機(jī)電一體化產(chǎn)品，它采用功率電子開(kāi)關(guān)（如GTR、MOSFET、IGBT）和位置傳感器代替電刷和換向器，既保留了直流電動(dòng)機(jī)良好的運(yùn)行性能，又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便和運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，在航空航天、數(shù)控裝置、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外設(shè)、汽車(chē)電器、電動(dòng)車(chē)輛和家用電器的驅(qū)動(dòng)中獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。Chapter7PMBLDCMWhyweselectthePMBLDCM?ReliablestructureSimplecontrolRobustnessLownoise(EMI+acoustic)vs.BrushedtypemachineHighefficiencyChapter7PMBLDCM第二節(jié)

PMBLDCM的基本結(jié)構(gòu)和工作原理永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)主要由永磁電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和功率電子開(kāi)關(guān)（逆變器）三部分組成圖7-1永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理框圖Chapter7PMBLDCM一、基本結(jié)構(gòu)圖7-2永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Chapter7PMBLDCM電動(dòng)機(jī)本體電動(dòng)機(jī)本體是一臺(tái)反裝式的普通永磁直流電動(dòng)機(jī)，它的電樞放在定子上，永磁磁極放在轉(zhuǎn)子上，結(jié)構(gòu)與永磁式同步電動(dòng)機(jī)相似。定子鐵心中安放對(duì)稱(chēng)的多相繞組，通常是三相繞組，繞組可以是分布式或集中式，接成星形或封閉形，各相繞組分別與電子開(kāi)關(guān)中的相應(yīng)功率管連接。永磁轉(zhuǎn)子多用鐵氧體（Ferrite）或釹鐵硼（NdFeB）等永磁材料制成，不帶鼠籠繞組等任何起動(dòng)繞組，主要有表面貼裝式和內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，如圖7-3所示。Chapter7PMBLDCM圖7-3永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式(a)表面貼裝式；(b)內(nèi)嵌式.1－磁鋼；2－鐵心（a)（b）Chapter7PMBLDCM外轉(zhuǎn)子洗衣機(jī)PMBLDCMChapter7PMBLDCMChapter7PMBLDCM2.逆變器

逆變器主電路有橋式和非橋式兩種，如圖7-4所示。其中圖(a)、(b)是非橋式開(kāi)關(guān)電路，其它是橋式開(kāi)關(guān)電路。在電樞繞組與逆變器的多種聯(lián)接方式中，以三相星形六狀態(tài)(圖7-4(c))和三相星形三狀態(tài)(圖7-4(a))使用最廣泛。Chapter7PMBLDCM（a）(a)星形三相三狀態(tài)；(b)星形四相四狀態(tài)；(c)星形三相六狀態(tài)；(d)封閉三相六狀態(tài)（b）（c）（d）圖7-4逆變器主電路Chapter7PMBLDCM(e)正交兩相四狀態(tài)(f)封閉四相四狀態(tài)Chapter7PMBLDCM3.轉(zhuǎn)子位置傳感器常見(jiàn)的有磁敏式、電磁式和光電式磁敏式位置傳感器利用電流的磁效應(yīng)進(jìn)行工作，所組成的位置檢測(cè)器由與轉(zhuǎn)子同極數(shù)的永磁檢測(cè)轉(zhuǎn)子和多只空間均布的磁敏元件構(gòu)成。目前，常用的磁敏元件為霍爾元件或霍爾集成電路，它們?cè)诖艌?chǎng)作用下產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，經(jīng)整形、放大后得到所需的電壓信號(hào)，即位置信號(hào)。圖7-5為霍爾集成電路。Chapter7PMBLDCM（a）外形（a）外形（a）外形（b）電路原理（c）開(kāi)關(guān)型輸出特性圖7－5Hall集成電路Chapter7PMBLDCM霍爾集成電路分為：（1）線(xiàn)性；（2）開(kāi)關(guān)型無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中一般使用開(kāi)關(guān)型霍爾位置傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，但對(duì)環(huán)境和工作溫度有一定限制。霍爾位置傳感器是永磁無(wú)刷直流電機(jī)中使用較多的一種。(2)電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器利用電磁效應(yīng)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，其結(jié)構(gòu)如圖7-6所示。傳感器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子由磁芯、高頻勵(lì)磁繞組和輸出繞組組成。定、轉(zhuǎn)子磁芯均由高頻導(dǎo)磁材料（如軟鐵氧體）制成。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，輸入繞組中通入高頻勵(lì)磁電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子扇形磁芯處在輸出繞組下面時(shí)，輸入和輸出繞組通過(guò)定、轉(zhuǎn)子磁芯偶合，輸出繞組中感應(yīng)出高頻信號(hào)，經(jīng)濾波整形處理后，用于控制逆變器開(kāi)關(guān)管。Chapter7PMBLDCM圖7-6電磁式位置傳感器1－轉(zhuǎn)子磁芯；2－定子磁芯；3－輸出繞組；4－高頻輸入繞組

(3)光電式位置傳感器光電式位置傳感器由固定在定子上的幾個(gè)光電偶合開(kāi)關(guān)和固定在轉(zhuǎn)子軸上的遮光盤(pán)所組成，如圖7-7所示。若干個(gè)光電偶合開(kāi)關(guān)沿圓周均布，每個(gè)光電偶合開(kāi)關(guān)由相互對(duì)著的紅外發(fā)光二極管D1和光敏三極管V1組成。遮光盤(pán)P處于發(fā)光二極管和光敏三極管中間，盤(pán)上開(kāi)有一定角度的窗口。紅外發(fā)光二極管通電后發(fā)出紅外光，遮光盤(pán)隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，紅外光間斷地照在光敏三極管上，使其不斷地導(dǎo)通和截止，它輸出的信號(hào)反應(yīng)了電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，經(jīng)V2放大后驅(qū)動(dòng)逆變器開(kāi)關(guān)管。

Chapter7PMBLDCM圖7－7光電式位置傳感器Chapter7PMBLDCM二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)三相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，配上圖7-4(c)所示的逆變器便可實(shí)現(xiàn)二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)，其原理接線(xiàn)如圖7-2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體轉(zhuǎn)到圖7-10（a）所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器發(fā)出磁極位置信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使功率開(kāi)關(guān)管V1、V6導(dǎo)通，A進(jìn)B出，繞組A、B通電，電樞電流在空間形成磁勢(shì)FA，如圖7-10（a）所示。此時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。電流流通路徑為：電源正極→V1管→A相繞組→B相繞組→V6管→電源負(fù)極。（a）（b）

圖7-10二相導(dǎo)通三相星形六狀態(tài)無(wú)刷直流電機(jī)工作原理示意圖當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，到達(dá)圖7-10（b）中位置時(shí)，位置傳感器輸出的信號(hào)，經(jīng)邏輯變換后使V6截止，V2導(dǎo)通，此時(shí)V1仍導(dǎo)通。繞組A、C通電，A進(jìn)C出，電樞電流在空間合成磁場(chǎng)如圖7-10（b）所示，定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。電流流通路徑為：電源正極→V1管→A相繞組→C相繞組→V2管→電源負(fù)極。依次類(lèi)推，每當(dāng)轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)60電角度時(shí)，功率管就進(jìn)行一次換流。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序依次為V2V3→V3V4→V4V5→V5V6→V6V1……，使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)始終受到定子合成磁場(chǎng)的作用而沿順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。Chapter7PMBLDCM從圖7-10（a）到7-10（b）的60電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)順時(shí)針連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而定子磁場(chǎng)在空間保持圖7-10（a）中的位置不動(dòng)，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過(guò)60電角度到達(dá)圖中7-10（b）的位置時(shí)，定子合成磁場(chǎng)才從圖7-10（a）中位置順時(shí)針躍變至7-10（b）中的位置。定子合成磁勢(shì)在空間是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其步進(jìn)角為60電角度，即1/6周期。

轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)60電角度（1/6周期），逆變器開(kāi)關(guān)管換流一次，定子磁場(chǎng)狀態(tài)就改變一次。可見(jiàn)，兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)控制方式時(shí)電機(jī)有6個(gè)磁狀態(tài)，每一個(gè)狀態(tài)各有不同相的上、下橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，每個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通120電角度（1/3周期），逆變器為120導(dǎo)通型；另一方面，每一個(gè)狀態(tài)導(dǎo)通的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管與不同相繞組相聯(lián)，每一個(gè)狀態(tài)導(dǎo)通兩相，每相繞組中流過(guò)電流的時(shí)間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)120電角度的時(shí)間。兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)PMBLDCM的三相繞組與開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序的關(guān)系示于表7-1。表7-1兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)三相繞組和開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序表第三節(jié)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性一、基本方程永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本物理量有反電動(dòng)勢(shì)、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等。圖7-11方波氣隙磁場(chǎng)分布圖7-11方波氣隙磁場(chǎng)分布

Chapter7PMBLDCM圖7-12梯形波反電動(dòng)勢(shì)與方波電流Chapter7PMBLDCM為了便于分析，特作如下假設(shè)：（1）忽略電樞繞組的電感，電樞電流可以突變；（2）不考慮開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷動(dòng)作的過(guò)渡過(guò)程，認(rèn)為每一相電流是瞬時(shí)產(chǎn)生和關(guān)斷的。1.電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)設(shè)電樞每相繞組串聯(lián)匝數(shù)為W，每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

（7-1）（7-2)

Chapter7PMBLDCM（7-3）方波氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的每極磁通為（7-4）每相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為（7-5）則線(xiàn)電動(dòng)勢(shì)為（7-6）式中，為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Chapter7PMBLDCM2.電樞電流（7-8）

3.電磁轉(zhuǎn)矩電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

（7-9）為電機(jī)的機(jī)械角速度。則有式中，Chapter7PMBLDCM

（7-10）4.轉(zhuǎn)速將式（7-6）代入式（7-7）得

（7-11）

（7-12）空載轉(zhuǎn)速為其中，Chapter7PMBLDCM5.電勢(shì)系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為

（7-13）

（7-14）轉(zhuǎn)矩系數(shù)為二、運(yùn)行特性1.機(jī)械特性由式（7-11）可得永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為（7-15）

圖7-13機(jī)械特性曲線(xiàn)

圖7-14調(diào)節(jié)特性曲線(xiàn)

2.調(diào)節(jié)特性根據(jù)式（7-8）、式（7-10）和式（7-11）可分別求得調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率K，即

（7-16）

（7-17）第四節(jié)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制方法一、有位置傳感器控制（1）轉(zhuǎn)速控制：通過(guò)PWM方法改變電壓大小調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）正、反轉(zhuǎn)控制：通過(guò)改變繞組的通電順序（3）電流控制：電流的閉環(huán)控制圖7-16單片機(jī)控制永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)原理圖PMBLDC仿真電流波形PMBLDCM正常換相時(shí)電流實(shí)驗(yàn)波形

換相超前時(shí)ABC三相電流試驗(yàn)波形

二、無(wú)位置傳感器控制無(wú)位置傳感器控制方式一般指的是電機(jī)無(wú)機(jī)械式位置傳感器，即不在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子上直接安裝位置傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。但是在電機(jī)的控制運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子位置換相信號(hào)是必需的。所以，永磁無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路，從硬件和軟件兩個(gè)方面來(lái)間接獲取可靠的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。Posit