第5章無刷直流電動機控制系統(tǒng)

無刷直流電動機控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)第5篇內(nèi)容提要無刷直流電動機的組成結(jié)構(gòu)和工作原理

無刷直流電動機的基本公式和數(shù)學(xué)模型無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩的波動

無刷直流電動機的驅(qū)動控制無位置傳感器的無刷直流電動機的驅(qū)動控制

無刷直流電動機驅(qū)動控制的專用芯片介紹無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)特點

無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子位置傳感器

直流無刷電動機的換向原理

第一節(jié)無刷直流電動機的組成結(jié)構(gòu)和工作原理

無刷直流電動機和一般的永磁有刷直流電動機相比，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)子取代有刷直流電動機的定子磁極，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向器取代有刷直流電動機的機械換向器和電刷，就得到了三相永磁無刷直流電動機。

無刷直流電動機屬于三相永磁同步電動機的范疇，永磁同步電動機的磁場來自電動機轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵，永久磁鐵的特性在很大程度上決定了電動機的特性，目前采用的永磁材料主要有鐵淦氧、鋁鈷鎳以及SmCO5和Sm2CO17。圖5-1對比了現(xiàn)用的幾種永久磁鐵的磁特性。由圖可知，鋁鎳鈷永磁合金的磁場強度H值范圍很小。鐵淦氧磁鐵磁感應(yīng)強度B與磁場強度H小范圍成線性關(guān)系，線性關(guān)系最大的是釹鐵硼合金，這種合金稱為第三代稀土永磁合金。無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)特點

在轉(zhuǎn)子上安裝永久磁鐵的方式有兩種。一種是將成形永久磁鐵裝在轉(zhuǎn)子表面，既所謂外裝式；另一種是將成形永久磁鐵埋入轉(zhuǎn)子里面，既所謂的內(nèi)裝式，如圖5-2所示。根據(jù)永久磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子上的方法的不同，永久磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種，從而有圖5-3所示的永久磁鐵轉(zhuǎn)子的不同結(jié)構(gòu)。

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，又由于磁通不可能集中，氣隙磁密度低，電極呈現(xiàn)凸極特性。矩形磁鐵構(gòu)造的轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)凸極特性，電樞電感大，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩大。但磁通可集中，形成高磁通密度，適用于大容量電動機。由于電動機呈現(xiàn)凸極特性，可利用磁阻轉(zhuǎn)矩。這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永久磁鐵也不容易飛出，適用于較高高速運轉(zhuǎn)。

根據(jù)確定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的每相勵磁磁動勢分布的不同，三相永磁同步電動機可分為兩種類型：正弦波型和方波型永磁同步電動機，前者每相勵磁磁動勢分布是正弦波狀，后者每相勵磁磁動勢分布呈方波狀。

永磁同步電動機的控制系統(tǒng)屬于自控式變頻系統(tǒng)，電動機的換向狀態(tài)是有轉(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)子的位置檢測器有很多種，正弦波永磁同步電動機一般采用旋轉(zhuǎn)變壓器、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元件，而在永磁無刷直流電動機（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。無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子位置傳感器

位置傳感器是無刷直流電動機系統(tǒng)的組成部分之一，也是區(qū)別于有刷直流電動機的主要標(biāo)志。其作用是檢測主轉(zhuǎn)子在運動過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(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(dǎo)通與截止，使電動機電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子的位置變化按次序換相，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)。位置傳感器有很多種，霍爾位置傳感器是目前應(yīng)用最廣泛的。

霍爾傳感器按其功能和應(yīng)用可分為線性型、開關(guān)型、鎖定型三種。（1）線性型線性型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、輸出級等部分組成，為變化的磁感應(yīng)強度，得到與磁感應(yīng)強度成線性關(guān)系的輸出電壓?？捎糜诖艌鰷y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、霍爾元件、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。

直流無刷電動機位置傳感器分為位置傳感器定子和位置傳感器轉(zhuǎn)子。一個指示轉(zhuǎn)子的位置，一個檢測轉(zhuǎn)子的位置。

霍爾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(fù)的，每一個開關(guān)狀態(tài)所占的電角度應(yīng)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)。

圖5-4表明，無刷直流電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號HA、HB、HC在每360度電角度內(nèi)按順序給出六個代碼，101、100、110、010、011、001。順序與正反轉(zhuǎn)有關(guān)。圖5-5是無刷直流電動機的電子換向器主回路，有六只功率開關(guān)元件組成的三相H形橋式逆變電路。圖5-6是無刷直流電動機的定子繞組結(jié)構(gòu)示意圖。直流無刷電動機的換向原理

分析無刷電動機的換相過程有兩個途徑：（1）利用“定子空間的扇區(qū)圖”來分析換相過程。（2）通過分析電動機的三相反電動勢來分析。六個扇區(qū)與轉(zhuǎn)子位置檢測器檢測的六個代碼一一對應(yīng)。轉(zhuǎn)子位于哪個扇區(qū)就會輸出對應(yīng)的代碼。

從分析三相無刷直流電動機的三相反電動勢的角度，同樣也可以理解其換相過程?；舅悸肥牵簽榱双@得最大的轉(zhuǎn)矩，應(yīng)當(dāng)使每相的反電動勢與該相的電流位置相同。由于開關(guān)管的通電周期為120度電角度，所以每相電流的寬度為120度，電流波形的中心位置應(yīng)當(dāng)與反電動勢的中心位置相對應(yīng)。扇區(qū)1號6號5號4號3號2號通電相序ACBCBAC導(dǎo)通開關(guān)2、16、15、64、53、42、3

表5-1無刷直流電動機換相狀態(tài)第二節(jié)無刷直流電動機的基本公式和數(shù)學(xué)模型

無刷直流電動機的基本物理量：電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流、反電動勢和轉(zhuǎn)速等。這些物理量的表達式與電動機的氣隙磁場分布、繞組形式有十分密切的關(guān)系。

對于永磁無刷直流電動機，其氣隙磁場波形可以為方波，也可以實現(xiàn)正旋波或梯形波。對于采用稀土永磁材料的電動機，其氣隙磁場一般為方波。理想波形圖如圖5-8.第三節(jié)無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩的波動

對于方波電動機來說，引起波動的原因主要有以下幾點：

(1)齒槽效應(yīng)和磁通畸變引起的轉(zhuǎn)矩脈動由于定子齒槽的存在，定子鐵心磁阻的變化仍然會產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，就是齒槽轉(zhuǎn)矩，它是交變的，與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)。

(2)諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動輸入定子繞組的電流不可能是完全意義上矩形波，反電動勢與理想波形的偏差大，引起轉(zhuǎn)矩脈動大。

(3)電樞反應(yīng)的影響電樞反應(yīng)使得氣隙磁場發(fā)生畸變，相對靜止的電樞與連續(xù)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化。

(4)相電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動換相狀態(tài)的變化與電動機自身的相反電動勢有關(guān)，影響轉(zhuǎn)矩脈動。

(5)由于機械加工引起的轉(zhuǎn)矩波動第四節(jié)無刷直流電動機的驅(qū)動控制

無刷直流電動機的應(yīng)用范圍廣泛，它已從最初的航空、軍事設(shè)施應(yīng)用領(lǐng)域擴展到工業(yè)和民用領(lǐng)域，目前，小功率無刷直流電動機主要用于計算機外圍設(shè)備、辦公室自動化設(shè)備和音響影視設(shè)備中，如軟盤、硬盤、光盤的驅(qū)動，復(fù)印機、傳真機、輕印刷機械、錄像機、CD機、VCD機、攝像機等的驅(qū)動。

家用電器的空調(diào)器、電冰箱、風(fēng)扇、洗衣機等應(yīng)用無刷電動機已經(jīng)十分普遍。

在航空、軍事設(shè)施應(yīng)用領(lǐng)域里的雷達驅(qū)動、機械武器瞄準驅(qū)動、自行火炮火力控制驅(qū)動等都采用無刷電動機控制。

在工業(yè)領(lǐng)域，機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動和自動生產(chǎn)線，電子產(chǎn)品加工裝備上的各種中小功率的驅(qū)動等，也廣泛采用無刷電動機控制。開環(huán)型無刷直流電動機驅(qū)動器

速度閉環(huán)的無刷直流電動機驅(qū)動器

速度電流雙閉環(huán)的無刷直流電動機驅(qū)動器

一、開環(huán)型無刷直流電動機驅(qū)動器

開環(huán)型三相無刷直流電動機驅(qū)動器內(nèi)部包含有電子換向器主電路（三相H形橋式逆變器）、換向控制邏輯電路、PWM調(diào)速電路以及過流保護電路。電路結(jié)構(gòu)5-10。（1）換向邏輯電路（參見圖5-4）,位置傳感器輸出信號HA、HB、HC在360度電角度內(nèi)給出六個代碼，換向控制邏輯電路接收后，進行譯碼處理，給電子換向器主回路中的六個開關(guān)管驅(qū)動控制信號。

開環(huán)型無刷直流電動機驅(qū)動器

表5-2為換相控制邏輯表

（2）PWM調(diào)速電路無刷電動機脈寬調(diào)制電路來實現(xiàn)電動機的調(diào)速。圖5-11是一種實用的脈寬調(diào)制電路。輸入控制信號Uc與三角波信號Ut相疊加后信號為U+。脈寬調(diào)制電路輸出的PWM信號的頻率是由三角波信號的頻率決定的，在目前實際的無刷直流電動機控制系統(tǒng)中，這一頻率一般在10kHz以上。

由于換相控制邏輯電路輸出的換相信號頻率與電動機的轉(zhuǎn)速有關(guān)，與磁極數(shù)也有關(guān)，無論在何種情況下，換相控制信號的頻率都遠遠低于PWM信號的頻率，因此，可以把PWM信號和換相控制信號通過邏輯“與”的辦法合成在一起，通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來調(diào)速。圖5-12中表明了PWM信號與換相控制信號的合成和有關(guān)的波形。

由于換相控制邏輯電路輸出的換相信號頻率與電動機的轉(zhuǎn)速有關(guān)，與磁極數(shù)也有關(guān)，無論在何種情況下，換相控制信號的頻率都遠遠低于PWM信號的頻率，因此，可以把PWM信號和換相控制信號通過邏輯“與”的辦法合成在一起，通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來調(diào)速。圖5-12中表明了PWM信號與換相控制信號的合成和有關(guān)的波形。

（3）保護電路無刷直流電動機在開環(huán)運行的情況下，最重要的保護就是過流保護。一般在主回路中的直流母線上取得過流反饋信號，在過流保護環(huán)節(jié)中與設(shè)定的保護值相比較，如果超過了保護值，就引發(fā)保護動作，一般是封鎖逆變器中的開關(guān)管，從而實現(xiàn)保護。二、速度閉環(huán)的無刷直流電動機驅(qū)動器

如果對無刷直流電動機的速度調(diào)節(jié)范圍和速度控制精度有較高的要求，應(yīng)采用速度閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，如圖5-13。在開環(huán)型的驅(qū)動器的基礎(chǔ)上，加上速度閉環(huán)，就形成了無刷直流電動機的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。在無刷直流電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，速度控制器的輸出信號，用作脈寬調(diào)制器的控制信號，一般將霍爾位置傳感器的信號加以處理后，形成速度反饋信號。速度閉環(huán)的無刷直流電動機驅(qū)動器

霍爾位置傳感器發(fā)出的是三路相差120度的低頻脈沖信號HA、HB、HC，其進行辯向和6倍頻處理，通過這樣的處理，取出其中的方向信息，并使其頻率提高。辯向和6倍頻處理的電路如圖5-14。

其中，CPZ和CPF分別是正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時，經(jīng)過6倍頻的輸出脈沖，CPZ和CPF的頻率與電動機的轉(zhuǎn)速成正比，但其脈沖寬度是不變的，等于一個同步時鐘脈沖CP的周期。根據(jù)這一點，可以利用簡單的低通濾波電路和加法電路得出與電動機的轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號，這就是速度的反饋信號。在設(shè)計速度控制器的動態(tài)參數(shù)時，要考慮相位超前補償，用來抵消由于反饋通路帶來的相位滯后。

采用速度單閉環(huán)控制的無刷直流電動機控制系統(tǒng)可以提高電動機的速度控制精度，減小速度誤差。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求高，例如要求快速啟動、突加負載時速度改變小，恢復(fù)快等，這需要轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制。與有刷直流電動機雙閉環(huán)系統(tǒng)相比，無刷直流電動機雙閉環(huán)系統(tǒng)中的電流環(huán)結(jié)構(gòu)具有其特殊性，這是由于這里有三相電樞繞組，在不同的時刻，電動機的電流經(jīng)過其中不同的兩相，根據(jù)這一特點，至少必須設(shè)置兩路電流傳感器（霍爾電流傳感器）如圖5-16。三、速度電流雙閉環(huán)的無刷直流電動機驅(qū)動器

三、速度電流雙閉環(huán)的無刷直流電動機驅(qū)動器

構(gòu)成電流閉環(huán)的方式有兩種，一種方式只需要一個電流控制器，而另外一種方式需要三個電流控制器。（1）采用單一電流控制器的方式，需要將檢測到的電流值IA和IB“拼接”起來，形成一個總的電流反饋信號，這個總的電流反饋信號的幅值就是Im。電流反饋信號拼接原理如圖5-17。

速度控制器的輸出信號Ugi，具有“轉(zhuǎn)矩給定信號”的性質(zhì)，因為電動機的電樞電流與轉(zhuǎn)矩成正比，所以可以把速度控制器的輸出信號用作電流環(huán)的給定信號。為了與反饋信號的極性相對，速度控制器的輸出信號也做了相應(yīng)的處理，如圖5-18。圖5-19是采用單一電流調(diào)節(jié)器的無刷直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。

（2）采用兩只電流控制器的方式采用兩只電流控制器構(gòu)成雙閉環(huán)系統(tǒng)，無需對電流反饋進行拼接，但需要對速度調(diào)節(jié)器的輸出信號Ugi進行分解，使其能成為A相與B相的電流的給定信號。實現(xiàn)對Ugi的分解電路如圖5-20。圖5-21為脈沖寬度調(diào)制。

電動機的位置傳感器，增加了電動機的成本和制造難度，在某種意義上來說也降低了運行的可靠性。近來，無位置傳感器的無刷直流電動機已經(jīng)引起了業(yè)內(nèi)人們的高度重視，盡管無位置傳感器的無刷直流電動機控制原理和控制電路更加復(fù)雜一些，但總體結(jié)構(gòu)大為簡化，制造難度也降低了。第五節(jié)無位置傳感器的無刷直流電動機的驅(qū)動控制

無位置傳感器的無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子位置需要通過估計來獲得，獲取轉(zhuǎn)子位置的目的是為了換相，所以只需要估計出換相時刻的轉(zhuǎn)子位置。對于三相繞組的電動機，在一個電周期內(nèi)只要估計六個時刻，相鄰兩時刻轉(zhuǎn)子位置相差60度電位角。常用的方法有反電動勢法、定子三次諧波法、電流通路監(jiān)視法等。一、無刷直流電動機轉(zhuǎn)子位置估計方法

（1）反電動勢法對于穩(wěn)態(tài)運行的電動機來說，反電動勢法是最簡單最實用的方法。其原理為：無刷直流電動機在任何時刻其三相繞組只有兩相導(dǎo)通，每相繞組正反向分布導(dǎo)通120度電位角，通過測量三相繞組端子及中性點相對于直流母線負端的點位，可估算換相時刻。當(dāng)某相繞組的端點電位與中性點電位相等時，說明此刻這項繞組的反電動勢為零，再過30度電角度就必須對開關(guān)管進行換相，據(jù)此可設(shè)計過零檢測及意向（或定時）電路，得到全橋驅(qū)動內(nèi)6個開關(guān)管的順序，這種方法叫做直接反電動勢法，還有一種間接反電動勢法。

（2）定子三次諧波法由于無刷直流電動機的反電動勢為梯形波，包含三次諧波分量。將此分量檢測出來進行積分，積分值為零時既得功率器件的開關(guān)信號。一種辦法是在星形連接的電動勢繞組三個端子并聯(lián)一組星形聯(lián)接電阻，兩個中性點之間的電壓既為三次諧波分量。另一種辦法是用星行電阻中性點與直流側(cè)的中點之間的電壓來獲得三次諧波電壓。二、無位置傳感器無刷直流電動機控制系統(tǒng)的構(gòu)成

圖5