【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。由于直流有刷電機(jī)的換向器和電刷在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生火花，引起火災(zāi)、爆炸等事故，因此許多環(huán)境限制了直流有刷電機(jī)的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)型晶體管的研制成功，為直流電機(jī)的發(fā)展帶來(lái)生機(jī)。經(jīng)過(guò)不斷的研究和實(shí)踐，人們終于找到了用位置傳感器和電子換向線路來(lái)替代直流有刷電機(jī)的機(jī)械換向裝置 。六十年代初出現(xiàn)了用霍爾元件傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)，七十年代初出現(xiàn)了比霍爾元件傳感器靈敏度高許多倍的磁敏二極管換流的直流無(wú)刷電機(jī)。隨著人們的不斷努力，又發(fā)現(xiàn)了不用位置傳感器，而依靠電機(jī)繞組在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反電勢(shì)來(lái)獲得位置信號(hào)實(shí)現(xiàn)換向的直流無(wú)刷電機(jī)。通常把這種利用檢測(cè)繞組反電動(dòng)勢(shì)獲得位置信號(hào)的直流無(wú)刷電機(jī)稱(chēng)為反電動(dòng)勢(shì)法無(wú)刷直流電機(jī)或直流無(wú)刷無(wú)位置傳感器電機(jī)。 由于直流無(wú)刷電機(jī)具有沒(méi)有換向火花，抗干擾性強(qiáng)，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，使其得以廣泛應(yīng)用于家庭、辦公、工業(yè)、軍事、航空航天等領(lǐng)域。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理 [5] 一般的永磁式直流電動(dòng)機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要作用是在電動(dòng)機(jī) 氣隙中建立磁場(chǎng)，其電樞繞組通電后產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁場(chǎng)，由電力電子逆變器供給電樞繞組的電流并不是正弦波，而是 120176。的方波，因而三相合成磁動(dòng)勢(shì)不是恒速旋轉(zhuǎn)的，而是跳躍式的步進(jìn)磁動(dòng)勢(shì)，它和恒速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生 轉(zhuǎn)矩 ， 除了平均轉(zhuǎn)矩之外，還有脈動(dòng)分量。由于電力電子逆變器的換向作用，使得這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向在電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中始終保持一定的角度，從而產(chǎn)生最大平均轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，與直流有刷電動(dòng)機(jī)不同，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電樞轉(zhuǎn)一圈，定子繞組只換 向 6 次，每個(gè)極下?lián)Q 向 三次，相當(dāng)于只有三個(gè)換向片的直流電動(dòng)機(jī)。 電子換向逆變器主電路如圖 所示， AA′ 、 BB′ 、 CC′ 代表直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組，采用 Y 型連結(jié)，逆變器為兩兩通電方式， 120176。導(dǎo)電型。首先假設(shè)轉(zhuǎn)子處于圖 (a)的位置，若此時(shí)使 V V4導(dǎo)通，則電流從 B 端流入， A 端流出，定子磁動(dòng)勢(shì)為 Fa，如圖(a)示，在 Fa 的作用下，轉(zhuǎn)子將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到圖 (b)的位置時(shí)，如果使 V V5導(dǎo)通，則 電流由 C 端流入， A 端流出，定子磁動(dòng)勢(shì)為 Fb，在 Fb 的作用下，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)順時(shí) 7 針旋轉(zhuǎn)，依次類(lèi)推，如果每隔 60176。電角度順序使 V5和 V V1和 V V1和 V V3 和 V2兩兩導(dǎo)通， 即可 使定子磁動(dòng)勢(shì)分別如圖 (c)、圖 (d)、圖 (e)、圖 (f)所示， 從 而形成 圖 逆變器主電路 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，在這個(gè)磁動(dòng)勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)子也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn) ，如果使開(kāi)關(guān)管反復(fù)按上述規(guī)律導(dǎo)通，即可使轉(zhuǎn) 子持續(xù)旋轉(zhuǎn)下去，且定子磁動(dòng)勢(shì)總是超前于轉(zhuǎn)子磁極軸線角度 60176。~120176。之間。其各相繞組導(dǎo)通示意圖如圖 所示 (電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) )。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理圖 Fa A B C A’ B’ C’ N S (a) A B C A’ B’ C’ N S Fa (b) A B C A’ B’ C’ N S Fa (c) A B C A’ B’ C’ N S Fa (d) A B C A’ B’ C’ N S Fa (e) A B C A’ B’ C’ N S Fa (f) C′ C B A′ A B′ + _ V1 V2 V6 V4 V5 V3 W V U 8 圖 各相繞組導(dǎo)通示意圖 由上述的分析可見(jiàn)，要使直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)正確的換 向 運(yùn)行，必須知道圖 所示的六個(gè)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置，六個(gè)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置即對(duì)應(yīng)著直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)后的30176。(電角度 )處。如果是有位置傳感器直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，則可以通過(guò)傳感器來(lái) 直接獲得轉(zhuǎn)子的六個(gè)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置的信息，如果是無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，則需要通過(guò)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組的反電勢(shì)直接或間接的獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。 電動(dòng)自行車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)原理 電動(dòng)自行車(chē)的發(fā)展離不開(kāi)其所采用的核心驅(qū)動(dòng)元件 ——電機(jī) 的發(fā)展，電機(jī)是電動(dòng)自行車(chē)發(fā)展的主要標(biāo)志。第一代電動(dòng)自行車(chē)使用的 是有刷高速繞組式電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá) 3000轉(zhuǎn)左右，通 過(guò)齒輪減速，其噪音大，效率低，故障率高；第二代電動(dòng)自行車(chē)使用的 是有刷低速電機(jī)或有位置傳感器的無(wú)刷電機(jī)，其噪音、故障率有所下降，效 率有所提高，但維護(hù)、安裝難度還 是比較大；第三代電動(dòng)自行車(chē)使用的 是無(wú)刷無(wú)位置傳感器的稀土永磁電機(jī)，其噪音小，效率高，維護(hù)、安裝都比較方便。 本課題是通過(guò)利用單片機(jī)主控芯片來(lái)檢測(cè)來(lái)無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定轉(zhuǎn)子的位置，從而確定換 向 點(diǎn)和換 向 時(shí)刻。 240176。 300176。 360176。 ωt A—A′ ωt C—C′ ωt B—B′ 60176。 120176。 180176。 9 無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 工作 原理 有位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)的換向主要靠位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，確定功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通順序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于安裝位置傳感器增大了電機(jī)的體積，同時(shí)安裝位置傳感器的位置精度要求比較高，帶來(lái)安裝的難度；因此人們?cè)谘芯窟^(guò)程中發(fā)現(xiàn)，利用電 子線路替代位置傳感器檢測(cè)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的反電勢(shì)來(lái)確定電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，實(shí)現(xiàn)換向。從而出現(xiàn)了無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)，其原理框圖如圖 所示 [6]。 圖 無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)原理框圖 由圖 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理圖可知，當(dāng)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，總有一相繞組沒(méi)有導(dǎo)通，此時(shí)可以在該相繞組的端口檢測(cè)到該繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)，該反電勢(shì)在 60176。的電角度是連續(xù)的，由于 此時(shí)檢測(cè) 難度極大，因此必須找到該反電勢(shì)與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系，才能確定轉(zhuǎn)子的位置。從圖 中可以看出，反電勢(shì)在 60176。的電角度過(guò)程中總 有一次經(jīng)過(guò)坐標(biāo)軸 (過(guò)零點(diǎn) )，而此點(diǎn)的電角度和下一次換向點(diǎn)的電角度正好相差 30176。，故可以通過(guò)檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，再延時(shí) 30176。換向。以圖 為例，假設(shè)轉(zhuǎn)子在圖 (a)所示的位置為 0176。電角度， V3，V4導(dǎo)通， AA′ 相、 BB′ 相有外加電壓， CC′ 相的產(chǎn)生的反電勢(shì)如圖 ；當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 30176。時(shí)，和磁動(dòng)勢(shì) Fa 相垂直， CC′ 相產(chǎn)生的反電勢(shì)正好過(guò)零點(diǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)子再旋轉(zhuǎn) 30176。時(shí) (即檢測(cè)到反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)再延時(shí) 30176。)，到圖 (b)所示的位置，此時(shí)使 V4， V5 導(dǎo)通， V3關(guān)閉，讓 AA′相、 CC′ 相有外加電壓， BB′ 相沒(méi)有外加電壓，可以檢測(cè) BB′ 相產(chǎn)生的反電勢(shì)過(guò)過(guò)零點(diǎn)再延時(shí) 30176。，讓 V5， V6導(dǎo)通， V4 關(guān)閉，依次類(lèi)推，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)的換向。 當(dāng)然也可以通過(guò)檢測(cè)反電勢(shì)經(jīng)過(guò)電角度 0176。， 60176。， 120176。， 180176。， 240176。， 300176。， 360176。這些特殊點(diǎn)處直接實(shí)現(xiàn)換向，這將在下一章進(jìn)行敘述。 直流電源 電子電路 電動(dòng)機(jī)本體 負(fù)載 10 圖 電機(jī)運(yùn)行時(shí)各相產(chǎn)生的反電勢(shì)示意圖 240176。 300176。 360176。 60176。 120176。 180176。 ωt A—A′ ωt C—C′ ωt B—B′ 0 0 0 11 3 直流無(wú)刷無(wú)位置傳感器電動(dòng)自行車(chē)控制器的設(shè)計(jì) 直流無(wú)刷無(wú)位置傳感器電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 [7] 無(wú)刷 直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制的關(guān)鍵 技術(shù) 在于轉(zhuǎn)子位置信息的獲取及估算方法。無(wú)位置傳感器檢測(cè)方法主要包括反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法、反電動(dòng)勢(shì)三次諧波積分檢測(cè)法、續(xù)流 二極管 檢測(cè)法、反電動(dòng)勢(shì)積分法、磁鏈估計(jì)法、擴(kuò)展卡爾曼濾波法等。本文所采用的位置檢測(cè)方法為經(jīng)典的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法。其 原理 如下： 直流無(wú)刷電機(jī)本體的三相繞組通常是二線制的，要檢測(cè)不導(dǎo)通相繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)，必須要找一個(gè)基準(zhǔn)參考點(diǎn)，為了更好地解釋和說(shuō)明檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零的原理，現(xiàn)建立以電源中點(diǎn)為基準(zhǔn)參考點(diǎn)的無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型。 假設(shè)功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)的 壓降為 0，電機(jī)三相繞組是對(duì)稱(chēng)的，相電阻均為 R、電感均為 L。可知： 當(dāng) AS 、 BS 導(dǎo)通時(shí)，即電流從 A 相流入， B 相流出， BAii?? ， V A A B V BU U U U? ? ? (式 ) AA A iAdiU R i L Udt? ? ? (式 ) BB B i BdiU R i L Udt? ? ? (式 ) 當(dāng) AS 、 CS 導(dǎo)通時(shí)，即電流從 A 相流入， C 相流出， CAii?? ， VA A C VCU U U U? ? ? (式 ) 由 (式 )、 (式 )可得： ? ?A V A V B V C A B C1U 2 U U U U U U3? ? ? ? ? ? (式 ) 同理可得： ? ?B V B V C V A A B C1U 2 U U U U U U3? ? ? ? ? ? (式 ) ? ?C V C V A V B A B C1U 2 U U U U U U3? ? ? ? ? ? (式 ) 再由 (式 )、 (式 )及 BAii?? 可得： A B i A i BU U U U? ? ? (式 ) 12 同理可得： B C i B i CU U U U? ? ? (式 ) C A iC iAU U U U? ? ? (式 ) 綜合 (式 )、 (式 )、 (式 )可得： A B C iA iB iCU U U U U U? ? ? ? ? (式 ) 將 (式 )分別代入 (式 )、 (式 )、 (式 )得： ? ?A V A V B V C i A i B i C1U 2 U U U U U U3? ? ? ? ? ? (式 ) ? ?B V B V C V A i A i B i C1U 2 U U U U U U3? ? ? ? ? ? (式 ) ? ?C V C V A V B i A i B i C1U 2 U U U U U U3? ? ? ? ? ? (式 ) ? ?0 V A V B V C i A i B i C1U U U U U U U3? ? ? ? ? ? (式 ) A B Ci