無刷直流電動機(jī)

無刷直流電動機(jī)2.1引言門機(jī)控制系統(tǒng)中門機(jī)的選擇至為重要，電機(jī)性能的好壞直接關(guān)系到整個控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。普通的直流電動機(jī)雖然調(diào)速特性好，但是由于有電刷，運行時會產(chǎn)生換向火花，制約了其應(yīng)用范圍。交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，在矢量控制技術(shù)提出之后，其控制性能大為提高，基本上能和直流電動機(jī)相媲美。無刷直流電動機(jī)（BLDCM）既具有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點，又具有直流電動機(jī)的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點，且沒有普通直流電動機(jī)的換向器，故在當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域，如醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、輕紡以及家用電器等方面的應(yīng)用日益普及。和其它電機(jī)相比，BLDCM的具體優(yōu)點歸納如下：（1） 逆變器結(jié)構(gòu)的控制比較簡單；（2） 具有高轉(zhuǎn)矩體積比；（3） 效率高；（4） 與直流電動機(jī)相比，BLDCM無換向火花，可工作在易燃易爆環(huán)境中，壽命比較長。在要求對速度具有快速動態(tài)響應(yīng)的場合，BLDCM是最為適合的電機(jī)，因為，該電機(jī)效率高，而且在很大的速度范圍內(nèi)均能簡單控制。綜合考慮，本設(shè)計選用無刷直流電動機(jī)作為電梯門控電機(jī)。2.2無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)無刷直流電機(jī)由電動機(jī)本體、位置傳感器、電子開關(guān)及控制電路構(gòu)成。如圖2-1所示圖2-1無刷直流電動機(jī)的方框原理圖電動機(jī)本體是由多相繞組和永久磁鋼組成。多相繞組類似于普通直流電機(jī)的電樞繞組，但是它被安裝于定子上，通過電子開關(guān)的控制與直流電源相連;永久

磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子上。定子繞組內(nèi)通入直流電流時，與轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使磁鋼轉(zhuǎn)子運動。為了保證電動機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，電動機(jī)內(nèi)應(yīng)產(chǎn)生單一方向的電磁轉(zhuǎn)矩。位置傳感器及電子開關(guān)電路，可以使電樞繞組中的電流發(fā)生改變，使得電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子的永久磁場與定子電樞磁場在空間上幾乎垂直，保證電動機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。2.2.1無刷直流電機(jī)的控制原理一般的直流電機(jī)由于電刷的換相使得由永久磁鋼產(chǎn)生的磁場與電樞繞組通電后產(chǎn)生的磁場在電機(jī)運行過程中始終保持垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，使電動機(jī)運轉(zhuǎn)。無刷直流電機(jī)的運行原理和有刷直流電機(jī)基本相同，即在一個具有恒定磁通密度分布的磁極下，保證電樞繞組中通過的電流總量恒定，以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，而且轉(zhuǎn)矩只與電樞電流的大小有關(guān)。由于轉(zhuǎn)子的氣隙磁通為梯形波，由電機(jī)學(xué)原理可知，電樞的感應(yīng)電動勢亦為梯形波，大小與轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)速成正比。BLDCM電機(jī)三相電樞繞組的每相電流為1200通電型的交流方波，反電動勢為1200梯形波。只要控制好逆變器各橋臂功率器件的開關(guān)時刻就能滿足上述要求。但是定子方波電流的通電時刻與感應(yīng)電動勢波形、轉(zhuǎn)子磁極位置有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，否則會產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩脈動，使平均轉(zhuǎn)矩減小。椎流輸出電壓VSD1椎流輸出電壓VSD1觸發(fā)控制邏利圖2-2BLDCM三相全控電路原理BLDCM三相繞組主回路基本類型有三相半控和三相全控兩種。三相半控電路的特點是簡單，一個可控硅控制一相的通斷，每個繞組只通電1/3的時間，另外2/3時間處于斷開狀態(tài)，沒有得到充分的利用，在運行過程中的轉(zhuǎn)矩波動較大。所以最好采用三相全控式電路。如圖2-2示出了一種三相全控式電路，在該電路中，電動機(jī)的繞組為Y聯(lián)結(jié)。V］、v2、v3、v4、V5、V6為六個功率器件，對繞組通過的電流起開關(guān)作用。

采用兩兩通電，三相6狀態(tài)方式，兩兩通電方式是指每一個瞬間有兩個功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期（600電角度）換相一次，每次換相一個功率管，每個功率管一次導(dǎo)通1200電角度。各功率管導(dǎo)通順序依次是：T1T4—T1T6—T3T6—T3T2—T5T2—T5T4。表2.1示出三相逆變器的開關(guān)次序。表1.1三相全控電路開關(guān)邏輯表狀態(tài)123456T1100001T0011002T0000113T0001104T1000015T 6 011000同一相的電動勢和電流波形及三相電流如圖2-3和圖2-4所示。圖2-3一相的電動勢和電流波形

2.2.2方波無刷直流電動機(jī)的優(yōu)點無刷直流電機(jī)分為正弦波電機(jī)和方波電機(jī)，在系統(tǒng)中選用方波電機(jī)，它與正弦波電機(jī)相比，具有更多的優(yōu)點：電機(jī)與電力電子控制電路結(jié)構(gòu)簡單，在電機(jī)中產(chǎn)生平頂波的磁場分布和平頂波的感應(yīng)電勢，比產(chǎn)生正弦分布的磁場和正弦分布的電勢簡單。同樣，產(chǎn)生方波電壓、方波電流的逆變器比產(chǎn)生正弦波電壓和正弦波電流的逆變器簡單的多，控制也方便。工作可靠。方波電機(jī)的逆變器采用1200導(dǎo)通型或1200導(dǎo)通型PWM逆變橋同一個橋臂中不可能產(chǎn)生直通現(xiàn)象，工作特別可靠，尤其適用于高速運行。轉(zhuǎn)矩脈動小，三相對稱，波寬N1200。的平頂波電勢和電流，理論上相位相符時轉(zhuǎn)矩?zé)o脈動。在相同的材料下，輸出功率大?？刂品椒ê唵?。磁場定向控制簡化為磁極位置控制，電壓頻率協(xié)調(diào)控制簡化為調(diào)壓控制(頻率自控)。因此，在電梯門機(jī)控制系統(tǒng)中選用了方波無刷直流電動機(jī)作為電梯門機(jī)。2.3無刷直流電機(jī)的基本方程式(1)電機(jī)相電壓方程根據(jù)KVL電壓定理，可表示為:(2-1(2-1)sdt其中:e戶是由A相繞組電流產(chǎn)生的反電動勢的瞬時值,i表示A相線圈電流的瞬時值？R表示每相繞組的電阻值,L為電機(jī)每相繞組的電感。根據(jù)方程(2-1)可得三相星形連接任意時刻都有兩相同時導(dǎo)通六步換向的BLDCM線電壓方程(假設(shè)該時刻AB兩相同時導(dǎo)通，i=八):(2-2)v(2-2)v=(e—e)+2Ri+2L為線電壓反電動勢，1asdt其中’fe其中’feb=￡(2)瞬時電流假設(shè)逆變器功率管導(dǎo)通時零阻抗，則vab=vd，其中=vd，其中vd是輸入給逆變器的直流電壓，如忽略電感L的影響，全波運行時的線圈電流可表示為:(2-3)

如考慮電感L的影響，且假設(shè)e=E乙=const（梯形反電動勢的幅值為常數(shù)），則方程（2-3）可表示為如下的形式：Ii（t）i（t）=~dc fLL（1—e（R1Ls）t）+I e（R1Ls）ta 2R amin1其中：I為在時間t=0時刻的線圈電流值。在電流上升階段，勵，有y>e。（3）反電動勢無刷直流電機(jī)的反電動勢可簡單地表示為電機(jī)轉(zhuǎn)子速度的函數(shù)行情況來講可以表示為如下的式子：(2-4)電機(jī)是欠激對于全波運（2-5）其中：七=c/為反電動勢常數(shù)，又稱為線圈常數(shù)。對于充分激勵的永磁電機(jī)，可以忽略線商反應(yīng)，認(rèn)為。牝const。（4）電磁轉(zhuǎn)矩 f假設(shè)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁鏈W廣M12七，則電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：（2-6（2-6）T（i,9）=i——fd1 1dt（2-7）（2-8）其中：，?=,?為定子電流，，?轉(zhuǎn)子繞組摩擦電流，并假設(shè)轉(zhuǎn)子繞組與定子間的互感為M（2-7）（2-8）=kT'adc其中：k=c4為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。（5）旋轉(zhuǎn)速度'無刷直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)的線速度可表示為:2ty=—=2tpn其中：y為電機(jī)旋轉(zhuǎn)的線速度，單位而m/s;：為轉(zhuǎn)子的半徑，p為電機(jī)極對數(shù);n電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，單位r/s。2.4無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型（1）三相繞組的電壓平衡方程基于以上分析可知，BLDCM的氣隙磁場、反電動勢以及電流是非正弦的，因此采用直、交軸坐標(biāo)變換已不是有效的分析方法。本章直接利用電動機(jī)本身的

相變量來建立BLDCM的數(shù)學(xué)模型，既簡單又具有較高的準(zhǔn)確度。為了便于分析，假定：1） 三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱。2） 忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)等的影響。3） 電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布。4） 磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。則三相繞組的電壓平衡方程可表示為：31.31.u=「:0RS010[i1/i+p"LLbaLabLbL1acLbc「i1/lb+「e]eu00R<iLLLieLc」1—Sccacbccc（2-9）這里假定三相繞組的電阻相等。l=氣=L分別為三相繞組的自感，Lab為A相和B相繞組間的互感，其余亦然.且有￡=L,L=L,L=L。上式的反電動勢均為梯形波，電流為方波，如圖2.5：“ "阮瀝圖2-5一相方波電流和梯形波反電動勢波形對于凸裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可以忽略凸極效應(yīng)，因此定子三相繞組的自感為常數(shù)，三相繞組的互感也是常數(shù)，兩者都與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)。因此L=L=LL=L=LabcL=L=L=L=L=L=Mab ba caaccb bc于是方程可以寫成:「u1「R0 01「i1-LMM-「i1「easaaau=0R 0i+pMLMi+ebSbbbu0 0RiMMLiecSc」—1cc若定子三相繞組為Y連接，且沒有中線，則有（2-10）（2-11）（2-12）（2-13）可得:Mi+MiMi+Mi=-Mi(2-14)將上式代入，可得:uR0 0-i-L—M 0 0一i一一e一asa.aau=0R0i+0 L—M 0pi+ebsbbbu0 0Ri0 0 L—Miecsccc(2-15)（2）轉(zhuǎn)矩方