【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。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→ 1VT 管→ A相繞組→ B相繞組→ 6VT 管→電源負(fù)極。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 600電角度，到達(dá)圖中 23b位置時(shí)，位置傳感器輸 出信號(hào)，經(jīng)過(guò)邏輯變換后使 開(kāi)關(guān)管 6VT 截至， 2VT 導(dǎo)通，此時(shí) 1VT仍導(dǎo)通。則繞組 A、 C通電， A進(jìn) C出， 電樞繞組在空間合成磁場(chǎng)如圖 23b中 aF 。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用使轉(zhuǎn)子繼 續(xù)沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。電流流通路徑為 :電源正極→ 1VT 管 →A 相繞組 →C 相 繞組 → 2VT 管 → 電源負(fù)極，依 次類(lèi)推。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針每轉(zhuǎn)過(guò) 600電 角度時(shí)，功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通邏輯 為32VTVT → 43VTVT → 54VTVT → 65VTVT → 16VTVT … ， 則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)始終受到定子合成磁場(chǎng)的作用并沿順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 在圖 23a到 b的 600電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)順時(shí)針連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而定子合 成磁場(chǎng)在空間保持圖 23a的 aF 的位置不動(dòng)，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)夠 600電角度到達(dá)圖 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 23b中 fF 的位置時(shí)，定子合成磁場(chǎng)才從圖 23a中 aF 位置順時(shí)針躍變至 fF 的位置?？梢?jiàn)定子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，而是一種跳 躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，每個(gè)步進(jìn)角為 600電角度。 當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò) 600電角度時(shí)，逆變器開(kāi)關(guān)管之間進(jìn)行一次換流，定子通電狀態(tài)就改變一次?？梢?jiàn)，電機(jī)有 6個(gè)狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩兩導(dǎo)通，每相繞組中流過(guò)電 流的時(shí)間相當(dāng)于電角度 1200。兩兩導(dǎo)通、 Y連接 、三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的 三相繞組與各開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序的關(guān)系如表 。 表 兩兩導(dǎo)通 Y連接三相六狀態(tài)時(shí)繞組合開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序表 電角度 00 導(dǎo)通 順序 A B C B C A B VT2 VT3 VT4 VT5 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 機(jī)械特性 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為： （ 11） UT開(kāi)關(guān)器件的管壓降 Ia電樞電流 Ce電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù) 每級(jí)磁通量 可見(jiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與一般直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。在不同的供電電壓驅(qū)動(dòng)下，可以得 到如 13 圖所示機(jī)械特性曲線(xiàn)簇。 VT1 VT6 600 1200 1800 2400 3000 3600 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 圖 13 機(jī)械特性曲線(xiàn)簇 當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)管和電樞繞組的電流很大，這時(shí)，管壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示的機(jī)械特性曲線(xiàn)會(huì)偏離直線(xiàn)，向下彎曲。 調(diào)節(jié)特性 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖 14 所示。 圖 14 調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為： （ 12） （ 13） 從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。但不能通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)速，因?yàn)橛来朋w的勵(lì)磁磁場(chǎng)不可調(diào)。 工作特性 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、效率輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖 15 所示。 圖 15 工作特性 在輸出額定轉(zhuǎn)矩時(shí) ,電機(jī)效率高、損耗低是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要特點(diǎn)之一。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) [ 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題使它很難實(shí)現(xiàn)更精確的位置控制和更高性能的轉(zhuǎn)速控制，尤其是在直接驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的場(chǎng)合，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題更為突出。引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的因素很多，主要有以下幾個(gè)方面： （ 1）齒槽 效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的任何電樞電流都不存在的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于定子齒槽的存在，定子鐵心磁阻的變化而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，就是齒槽轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩是交變的，與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，因此它是電動(dòng)機(jī)本身空間和永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)的函數(shù)。在電機(jī)制造上，將定子齒槽與永磁體斜一個(gè)齒距，或采用合理的分?jǐn)?shù)槽，可以使齒槽轉(zhuǎn)矩減小到額定轉(zhuǎn)矩的百分之一左右。 （ 2）諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，恒定轉(zhuǎn)矩主要是由基波磁鏈和基波電流相互作用產(chǎn)生的，更高次的同次諧波間產(chǎn)生的恒定轉(zhuǎn)矩可以忽略不計(jì)，不同次諧波磁鏈和電流間不產(chǎn)生脈 動(dòng)轉(zhuǎn)矩。但在實(shí)際電機(jī)中，輸入定子繞組中的電流不可能是矩形波，因?yàn)殡姍C(jī)的電感限制了電流的變化率。反電動(dòng)勢(shì)的波形偏差越大，引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越大，另外，非理想的磁鏈波形對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也有影響。 （ 3）電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 電流換相也是引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要原因之一，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)基本頻率是電流頻率的 6倍，也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)起決定作用的是 6次諧波轉(zhuǎn)矩，主要因?yàn)殡娏髟诿恐芷趦?nèi)要進(jìn)行 6次換相。平均轉(zhuǎn)矩隨換相角而變化，換相角度越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 越大。特別，在低速區(qū) BLDC電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。 第 3 章 無(wú)刷直流電機(jī)的主電路的工作方式 目前，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體大多采用三相對(duì)稱(chēng)繞組，由于三相繞組既可以是星形連接，也可以是角形連接，同時(shí)功率逆變器又有橋式和非橋式兩種。因此，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路主要有星形連接三相半橋式、星形連接三相橋式和角形連接三相橋式三種形式。 星形連接三相半橋式主電路 常見(jiàn)的三相半橋主電路如圖 所示，圖中， A、 B、 C 三相繞組分別與三只功率開(kāi)關(guān)管 VT VT VT3 串聯(lián)，來(lái)自位置檢測(cè)器的信號(hào) H H H3 控制三只開(kāi)關(guān)管的通斷。在三相主半橋電路中，位置信號(hào)有 1/3 周期 為高電平、 2/3周期為低電平，各傳感器之間的相位差也是 1/3 周期，如圖 所示。 圖 三相半橋主電路 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 圖 三相半橋主電路中位置傳感器信號(hào) 當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)過(guò)圖 （ a）所示的位置時(shí)， H1為高電平， H H3為低電平，使功率開(kāi)關(guān) VT1 導(dǎo)通， A 相繞組通電，該繞組電流同轉(zhuǎn)子磁極作用后所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖 （ b）所示的位置時(shí)， H2為高電平， H H3為低電平，使功率開(kāi)關(guān) VT2 導(dǎo)通， A 相繞組斷電， B 相繞組通電，電磁轉(zhuǎn)矩仍使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖 （ c）所示的位置時(shí)， H3為高電平， H H2為低電平，使功率開(kāi)關(guān) VT3 導(dǎo)通， B 相繞組斷電， C 相繞組通電，轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿 順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，而后重新回到圖 （ a）所示的位置。 圖 電樞繞組通電與轉(zhuǎn)子磁極的相對(duì)位置 這樣，定子繞組在位置檢測(cè)器的控制下，便一相一相地依次饋電，實(shí)現(xiàn)了各相繞組電流的換相。在換相過(guò)程中，定子各相繞組在氣隙中所形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是跳躍式的，其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在 360176。電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)120176。電角度。我們把這 種工作方式叫做單相導(dǎo)通星形三相三狀態(tài)。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 三相半橋主電路雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但電機(jī)本體的利用律很低，每相繞組只通電1/3 周期 2/3 周期處于關(guān)斷狀態(tài)，繞組沒(méi)有得到充分利用，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也比較大。 星形連接三相橋式主電路 圖 所示是一種星形連接三相橋式主電路。圖中，上橋臂三個(gè)開(kāi)關(guān)管 VTVT VT5 是 P 溝道功率 MOSFET，柵極電位低電平時(shí)導(dǎo)通；下橋臂三開(kāi)關(guān)管VT VT VT2 是 N 溝道功率 MOSFET，柵極電位高電平時(shí)導(dǎo)通。這種逆變器電路利用 P 溝道 MOSFET 和 N 溝道 MOSERT 導(dǎo)通規(guī)律的 互補(bǔ)性，簡(jiǎn)化了功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路。位置檢測(cè)的三個(gè)輸出信號(hào)通過(guò)邏輯電路控制這些開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：二二導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通方式。 1．二二導(dǎo)通方式 二二導(dǎo)通方式是指在任一瞬間使兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通。這種工作方式就是兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式，下面根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的概念來(lái)分析其導(dǎo)通規(guī)律及特點(diǎn)。 圖 星 形連接三相橋式主電路 電機(jī)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩可由電樞繞組的電磁功率求得： （ ） 式中 、 、 ——A、 B、 C 三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)。 、 、 ——A、 B、 C 三相繞組的電流。 ——轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。 可見(jiàn)，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動(dòng)勢(shì)的大小。在一定的轉(zhuǎn)速下，如果電流一定，反電動(dòng)勢(shì)越大，轉(zhuǎn)矩就越大。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 圖 三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律 圖 給出了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其二二導(dǎo)通方式下的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通規(guī)律。為了使電機(jī)獲得最大轉(zhuǎn)矩，在二二導(dǎo)通方式下，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序應(yīng)為： VT VT2 VT VT3 VT VT4 VT VT5 VT VT6VT VT1。在這種工作方式下，每個(gè)電周期共有六種導(dǎo)通狀態(tài)，每隔 60176。電角度工作狀態(tài)改變一次，每個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通 120176。電角度。 由此可見(jiàn)，如果忽略換相過(guò)程的影響，當(dāng)梯形波反電動(dòng)勢(shì)的平頂寬度大于等于 120176。電角度時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為 0。因此，無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量增大磁極的極弧系數(shù)，以獲得足夠?qū)挼拇琶芊植疾ㄐ?，從而得到平頂部分較寬的反電動(dòng)勢(shì)波形。 同時(shí)，如果假定電流為平頂波，電機(jī)工作在兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式時(shí)，總的電磁轉(zhuǎn)矩是每相電磁轉(zhuǎn)矩的兩倍。 如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布，容易根據(jù)相量圖得出此時(shí)合成電磁轉(zhuǎn)矩是每相電磁轉(zhuǎn)矩的 倍的結(jié)論。必須指出，這個(gè)結(jié)論對(duì)于無(wú)刷 直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)并不準(zhǔn)確，但可用于逆變器工作方式的定性分析。 2．三三導(dǎo)通方式 三三導(dǎo)通方式是在任一瞬間使三個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，各開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序?yàn)椋篤T VT VT3 VT VT VT4 VT VT VT5 VT VT VT6VT VT VT1 VT VT VT2，如圖 所示。由此可見(jiàn)，三三導(dǎo)通方式也有六種導(dǎo)通狀態(tài)，同時(shí)也是每隔 60176。改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每改變一次工作狀態(tài)換相一次，但是每個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通 180176。，導(dǎo)通時(shí)間增加了。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 圖 三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其三三導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律 當(dāng) VT VT VT3 導(dǎo)通是，電流的路線(xiàn)為：電源 VT VT3 A 相繞組和 B 相繞組 C 相繞組 VT2 地。其中 A 相 B 相相當(dāng)與并聯(lián)。如果假定 C相繞組的電流為 I，則 A、 B 相繞組的電流分別為 I/2 ，可以求得電樞繞組產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩約為每單相轉(zhuǎn)矩的兩倍。 在三三導(dǎo)通方式下，各相繞組不是在反電動(dòng)勢(shì)波的平頂部分換相，而是在反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)換相。因此，在電樞電流和轉(zhuǎn)速相同的情況下，三三導(dǎo)通方式下平均電 磁轉(zhuǎn)矩比二二導(dǎo)通方式下要小，同時(shí)瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩還存在脈動(dòng)。如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布，則合成電磁轉(zhuǎn)矩是單相電磁轉(zhuǎn)矩的 倍。 比較兩種通電方式可見(jiàn)：在二二通電方式下，每個(gè)管子均有 60176。的電角度的不導(dǎo)通時(shí)間，不可能發(fā)生直通短路故障。而在三三通電方式下，因每個(gè)管子導(dǎo)通時(shí)間為 180176。電角度，一個(gè)管子的導(dǎo)通和關(guān)斷稍有延遲，就會(huì)發(fā)生直通短路，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件損壞。并且，兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式很好地利用了方波氣隙磁場(chǎng)的平頂部分，是電機(jī)出力大，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好。所以?xún)上鄬?dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式最為常見(jiàn)。 角形連接三 相橋式主電路 圖 所示的角形連接三相橋式主電路的開(kāi)關(guān)管也采用功率 MOSFET。與星形連接一樣，角形連接的控制方式也有二二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 圖 三角形連接三相橋式主電路 1．二二導(dǎo)通方式 三相角形連接二二導(dǎo)通方式的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序?yàn)椋?VT VT2 VT VT3VT VT4 VT VT5 VT VT6 VT VT1，如圖 所示。 圖 電樞繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其角形連接二二導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律 當(dāng) VT VT2 導(dǎo)通時(shí)，電流的路線(xiàn)為：電源 VT1 A 相繞組、 B 相繞組和 C 相繞組 VT2 地。其中 B 相與 C 相串聯(lián)，在與 A 并聯(lián)。如果 A 相繞組中的電流為 I，則 B、 C 兩相繞組中的電流約為 I/2，總電磁轉(zhuǎn)矩約為單相電磁轉(zhuǎn)矩的兩倍。但各相繞組在反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)導(dǎo)通，在反電動(dòng)勢(shì)平頂波部分關(guān)斷，瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)。 如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布，則容易得出此時(shí)合成電磁轉(zhuǎn)矩約為單相電磁轉(zhuǎn)矩的 倍?？梢?jiàn)，角形連接二二導(dǎo)通方式下無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作情況與星形連接三三導(dǎo)通是情況相似。 2． 三三導(dǎo)通方式 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 三相角形連接三三導(dǎo)通方式的各開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序?yàn)椋?VT VT VT3VT VT VT4 VT VT VT5 VT VT VT6 VT VT VT1VT VT VT2，如圖 所示。 圖