【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) (Brushless DC Motor,簡(jiǎn)稱(chēng) BLDCM)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,它是由電動(dòng)機(jī)本體、位置檢測(cè)器、逆變器和控制器組成的自同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)或自控式變頻同步電動(dòng)機(jī) .位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的 位置信號(hào) ,控制器對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào) ,開(kāi)關(guān)信號(hào)以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開(kāi)關(guān)器件 ,將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動(dòng)機(jī)定子各相繞組 ,使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。 現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)各部分的基本結(jié)構(gòu)說(shuō)明如下。 一、 電機(jī)本體 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最初的設(shè)計(jì)思想來(lái)自普通的有刷直流電動(dòng)機(jī)，不同的是將直流電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對(duì)稱(chēng)繞組。原直流電動(dòng)機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器所代替。所以無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體實(shí)際 上是一種永磁同步電機(jī)。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體為永磁電機(jī)，所以無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也稱(chēng)為永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。 定子的結(jié)構(gòu)與普通同步電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，鐵心中嵌有多相對(duì)稱(chēng)繞組。繞組可以接成星形或三角形，并分別與逆變器中的各開(kāi)關(guān)管相連，三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最為常見(jiàn)。 二、 逆變器 目前，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的逆變器主開(kāi)關(guān)一般采用 IGBT或功率 MOSFET等全控型器件，有些主電路已有集成的功率模塊（ PIC）和智能功率模塊（ IPM），選用這些模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組的相數(shù)可以有不同的選擇，繞組的 連接方式也有星形和角型之分，而逆變器又有半橋型和全橋型兩種。不同的組合使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不同的性能和成本。綜合以下三個(gè)指標(biāo)有助于我們做出正確的選擇： 1. 繞組利用率。 10 與普通直流電動(dòng)機(jī)不同，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組是斷續(xù)通電的。適當(dāng)?shù)靥岣呃@組利用率將可以使同時(shí)通電的導(dǎo)體數(shù)增加，使電阻下降，效率提高。從這個(gè)角度來(lái)看，三相繞組優(yōu)于四相和五相繞組。 2. 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比普通直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)越?。徊捎脴蚴街麟娐繁炔捎梅菢蚴街麟娐返霓D(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。 3. 電路成 本。 相數(shù)越多，逆變器電路使用的開(kāi)關(guān)管越多，成本越高。橋式主電路所用的開(kāi)關(guān)管比半橋式多一倍，成本要高；多相電動(dòng)機(jī)的逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。因此，目前以星形連接三相橋式主電路應(yīng)用最多。 三、 位置檢測(cè)器 位置檢測(cè)器的作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)與定子繞組的位置信號(hào)，為逆變器提供正確的換相信息。位置檢測(cè)包括有位置傳感器和無(wú)位置傳感器檢測(cè)兩種方式。 轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子磁極的位置；其定子固定在電機(jī)本體定子或端蓋上，以檢測(cè)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置傳感器的種 類(lèi)包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開(kāi)關(guān)式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。 在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中安裝機(jī)械式位置傳感器解決了電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)問(wèn)題。但是位置傳感器的存在增加了系統(tǒng)的成本和體積，降低了系統(tǒng)可靠性，限制了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍，對(duì)電機(jī)的制造工藝也帶來(lái)了不利的影響。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置運(yùn)行方式給予高度重視。 無(wú)機(jī)械式位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)和計(jì)算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的物理量間接地獲得轉(zhuǎn)子位置信息，主要有反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)法、定子三次諧波檢測(cè)法和瞬時(shí)電壓方程法 等。 四、 控制器 控制器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能： 1. 對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器輸出的信號(hào)、 PWM調(diào)制信號(hào)、正反轉(zhuǎn)和停車(chē)信號(hào)進(jìn)行邏輯綜 11 合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各開(kāi)關(guān)管的斬波信號(hào)和選通信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車(chē)控制。 2. 產(chǎn)生 PWM調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào)而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速。 3. 對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。 4. 實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、過(guò)電壓和欠電壓等故障保護(hù)電路。 第二節(jié) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 一、 設(shè)計(jì)方案比較 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)兼有直流電動(dòng)機(jī)調(diào)整和起動(dòng)性能好以及異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無(wú)需維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因而在高可靠性的電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場(chǎng)合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。目前，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)主要采用兩種控制方案 :一種采用專(zhuān)用集成電路。這種方案可以降低設(shè)備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。另一種是以微處理器為控制核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)。這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈活方便。 電機(jī)控制器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完 成以下功能 :對(duì)各種輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各種控制信號(hào) 。產(chǎn)生 PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速 。實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、欠壓等故障保護(hù)功能。 控制器是電動(dòng)自行車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它是電動(dòng)自行車(chē)的大腦。其主要作用是在保證電動(dòng)自行車(chē)正常工作的前提下，提高電機(jī)和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護(hù)電機(jī)及蓄電池，以及降低電動(dòng)自行車(chē)在受到破壞時(shí)的損傷程度。 目前，市場(chǎng)上常用的電動(dòng)自行車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)控制器主要采用專(zhuān)用集成電路為主控芯片，像 MOTOLORA公司研制的專(zhuān)用集成電路 MC33035，其針對(duì)無(wú)刷電機(jī)的控制要求，將控制邏輯集 成在芯片內(nèi)，一般該類(lèi)控制器稱(chēng)為模擬式控制器，其工作原理是用電子裝置代替電刷控制電機(jī)線(xiàn)圈電流換向，根據(jù)電機(jī)內(nèi)的位置傳感器 (霍爾傳感器 )信號(hào)，決定換相的順序和時(shí)間，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是智能性差，保護(hù)措施有限，系統(tǒng)升級(jí)空間小。 12 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為主控芯片，用編程的方法來(lái)模擬無(wú)刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)是使用靈活，通過(guò)修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無(wú)刷電機(jī)，增加系統(tǒng)功能方便，通常將此類(lèi)控制器稱(chēng)為數(shù)字式控制器。 近幾年，國(guó)外一些大公司紛紛推出較 MCU性能更加優(yōu)越的 DSP(數(shù)字信號(hào)處理器 )芯片電機(jī)控制 器，如 ADI公司的 ADMC3xx系列， TI公司的 TMS320C24系列及 Motorola公司的 DSP56F8xx系列，都是由一個(gè)以 DSP為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。但是這些專(zhuān)用芯片價(jià)格昂貴，外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，在廣大的民用市場(chǎng)無(wú)法大規(guī)模推廣應(yīng)用。 無(wú)刷電機(jī)控制方法主要分為有位置傳感器控制和無(wú)位置傳感器控制兩種。在有位置傳感器的控制方法中，現(xiàn)今，由于霍爾傳感器性?xún)r(jià)比高，安裝方便，被廣泛應(yīng)用作為無(wú)刷直流電機(jī)的位置傳感器。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì) 無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器的控制方法主要有反電勢(shì)法、定子三次諧波法、續(xù)流二極管檢測(cè)法、脈沖檢測(cè)法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。但是由于無(wú)位置傳感器控制方法在低速時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的速度調(diào)制，所以現(xiàn)階段在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域只是處于研究階段，無(wú)法推廣到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。 二、 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖 基于一部分的考慮 ,可繪出無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖 ,如圖 21所示 : 圖 21 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制框圖 13 1. 微控制器 主要功能是根據(jù)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的要求和來(lái)自霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個(gè)輸出信號(hào)，將它們處理成功率驅(qū)動(dòng)單元的六個(gè)功率開(kāi)關(guān) 器件所要求的驅(qū)動(dòng)順序。微控制器的另一個(gè)重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號(hào)，以及隨機(jī)發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò) AD變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號(hào)。 2. 功率驅(qū)動(dòng)單元 主要包括功率開(kāi)關(guān)器件組成的三相全橋逆變電路和自舉電路。自舉電路由分立器件構(gòu)成的，也可以采用專(zhuān)門(mén)的集成模塊等高性能驅(qū)動(dòng)集成電路。 3. 位置傳感器 位置傳感器在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息。 4. 周邊輔助、保護(hù)電路 主要有電流采樣電路、電壓比 較電路、過(guò)電流保護(hù)電路、調(diào)速信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)等輸入電路。 14 第三章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)硬件設(shè)計(jì) 第一節(jié) 逆變主電路設(shè)計(jì) 一、 功率開(kāi)關(guān)主電路 圖 31 功率開(kāi)關(guān)主電路原理圖 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機(jī)供電。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)之一。 二、 逆變開(kāi)關(guān)元件選擇和計(jì)算 MOSFET在 1960年由貝爾實(shí)驗(yàn)室（ Bell Lab.）的 D. Kahng和 Martin Atalla首次實(shí) 驗(yàn) 成功，這種元件的操作原理和 1947年蕭克萊（ William Shockley）等人發(fā)明的雙載子晶體管（ Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因?yàn)橹圃斐杀镜土c使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢(shì)，在大型積體電路（ LargeScale Integrated Circuits, LSI）或是超大型積體電路（ Very LargeScale Integrated Circuits, VLSI）的領(lǐng)域里，重要性遠(yuǎn)超過(guò) BJT。 近年來(lái)由于 MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位訊號(hào)處理的場(chǎng)合上，也有越來(lái)越多類(lèi)比訊號(hào)處理的積體電路可以用 MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn) 。 15 表 31對(duì) IGBT、 GTR、 GTO 和電力 MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)的比較 器 件 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) IGBT 開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小 開(kāi)關(guān)速度低于電力 MOSFET,電壓，電流容量不及 GTO GTR 耐壓 高，電流大，開(kāi)關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低 開(kāi)關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊穿問(wèn)題 GTO 電壓、電流容量大，適用于大功率場(chǎng)合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng) 電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流大，開(kāi)關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開(kāi)關(guān)頻率低 電 力 MOSFET 開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，不存在二次擊穿問(wèn)題 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò) 10kW的電力電子裝置 通過(guò)上述的比較，我