【文章內(nèi)容簡介】 fFaFfF可見定子電流產(chǎn)生的磁場在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，每個(gè)步進(jìn)角為60 0電角度。當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60 0電角度時(shí)，逆變器開關(guān)管之間進(jìn)行一次換流，定子通電狀態(tài)就改變一次。可見，電機(jī)有6個(gè)狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩兩導(dǎo)通，每相繞組中流過電流的時(shí)間相當(dāng)于電角度120 0。兩兩導(dǎo)通、Y連接、三相六狀態(tài)無刷直流電動(dòng)。 兩兩導(dǎo)通Y連接三相六狀態(tài)時(shí)繞組合開關(guān)管導(dǎo)通順序表電角度 00A B C導(dǎo)通順序 B C A BVT2VT3VT4VT5 無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 機(jī)械特性無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為： （11）UT開關(guān)器件的管壓降Ia電樞電流VT1VT6600 1200 1800 2400 3000 3600無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究Ce電機(jī)的電動(dòng)勢常數(shù)每級磁通量可見無刷直流電動(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)械特性曲線簇。圖 13 機(jī)械特性曲線簇當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流過開關(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)械特性曲線會(huì)偏離直線，向下彎曲。 調(diào)節(jié)特性無刷直流電動(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）無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 （13）從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無刷直流電動(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，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。但不能通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)速，因?yàn)橛来朋w的勵(lì)磁磁場不可調(diào)。 工作特性 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、損耗低是無刷直流電動(dòng)機(jī)的重要特點(diǎn)之一。 無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) [無刷直流電動(dòng)機(jī)中存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題使它很難實(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)用的場合，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題更為突出。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轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也有影響。無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究（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，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 無刷直流電機(jī)的主電路的工作方式目前，無刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體大多采用三相對稱繞組，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關(guān)管 VTVTVT3 串聯(lián)，來自位置檢測器的信號 HHH3 控制三只開關(guān)管的通斷。在三相主半橋電路中，位置信號有 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當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)過圖 （a）所示的位置時(shí)，H 1 為高電平，H H 3 為低電平，使功率開關(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)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖 （b）所示的位置時(shí)，H 2 為高電平， HH 3 為低電平，使功率開關(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)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖 （c）所示的位置時(shí)，H 3 為高電平，H H 2 為低電平，使功率開關(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)針方向旋轉(zhuǎn)，而后重新回到圖 （a）所示的位置。圖 電樞繞組通電與轉(zhuǎn)子磁極的相對位置這樣，定子繞組在位置檢測器的控制下，便一相一相地依次饋電，實(shí)現(xiàn)了各相繞組電流的換相。在換相過程中，定子各相繞組在氣隙中所形成的旋轉(zhuǎn)磁場是跳躍式的，其旋轉(zhuǎn)磁場在 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)，繞組沒有得到充分利用，在整個(gè)運(yùn)行過程中轉(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)開關(guān)管VT VT VT5 是 P 溝道功率 MOSFET，柵極電位低電平時(shí)導(dǎo)通；下橋臂三開關(guān)管 VT VTVT2 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，簡化了功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路。位置檢測的三個(gè)輸出信號通過邏輯電路控制這些開關(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)勢和電磁轉(zhuǎn)矩的概念來分析其導(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。 、 、 ——A、B 、 C 三相繞組的電流?！D(zhuǎn)子的機(jī)械角速度?？梢?，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動(dòng)勢的大小。在一定的轉(zhuǎn)速下，如果電流一定，反電動(dòng)勢越大，轉(zhuǎn)矩就越大。無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究圖 三相繞組的反電動(dòng)勢波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律圖 給出了無刷直流電動(dòng)機(jī)三相繞組的反電動(dòng)勢波形及其二二導(dǎo)通方式下的開關(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，開關(guān)管的導(dǎo)通順序應(yīng)為：VT VT2 VTVT3 VTVT4 VTVT5 VTVT6 VTVT1。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)開關(guān)管導(dǎo)通 120176。電角度。由此可見，如果忽略換相過程的影響，當(dāng)梯形波反電動(dòng)勢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)論對于無刷直流電動(dòng)機(jī)來說并不準(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)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，各開關(guān)管導(dǎo)通順序?yàn)椋篤T VT VT3 VT VTVT4 VTVT4 、VT5 VTVTVT6VTVTVT1 VTVTVT2，如圖 所示。由此可見，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)開關(guān)管導(dǎo)通 180176。，導(dǎo)通時(shí)間增加了。無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究圖 三相繞組的反電動(dòng)勢波形及其三三導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律當(dāng) VTVTVT3 導(dǎo)通是，電流的路線為：電源 VTVT3 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)勢波的平頂部分換相，而是在反電動(dòng)勢的過零點(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：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的平頂部分，是電機(jī)出力大，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好。所以兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式最為常見。 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)通方式的開關(guān)管導(dǎo)通順序?yàn)椋篤T VT2 VTVT3 VTVT4 VTVT5 VTVT6 VTVT1，如圖 所示。圖 電樞繞組的反電動(dòng)勢波形及其角形連接二二導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律當(dāng) VTVT2 導(dǎo)通時(shí)，電流的路線為：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)勢的過零點(diǎn)導(dǎo)通，在反電動(dòng)勢平頂波部分關(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。可見，角形連接二二導(dǎo)通方式下無刷直流電動(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)通方式的各開關(guān)管導(dǎo)通順序?yàn)椋篤T VT VT3 VTVTVT4 VTVT4 、VT5 VTVTVT6VTVTVT1 VTVTVT2，如圖 所示。圖 電樞繞組的反電動(dòng)勢波形及其角形連接三三導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律當(dāng) VTVTVT3 導(dǎo)通時(shí)，電流的路徑為：電源 VTVT3 A 相繞組 B 相繞組 VT2 地。A、B 兩相繞組并聯(lián)，流經(jīng) A、B 兩相的電流大小相同。因此，總的電磁轉(zhuǎn)矩為單相電磁轉(zhuǎn)矩的兩倍。如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布，容易得出此時(shí)合成電磁轉(zhuǎn)矩為單相電磁轉(zhuǎn)矩的 倍。所以角形連接三三導(dǎo)通方式下無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作情況與星形連接二二導(dǎo)通時(shí)情況相似。所不同的是，在星形連接二二通電方式下，兩通電繞組為串聯(lián)；而三角形連接三三通電時(shí)，兩相繞組為并聯(lián)。第四章 無刷直流電機(jī)的控制策略 無刷直流電機(jī)的控制策略控制策略指電動(dòng)機(jī)運(yùn)行是對哪些參數(shù)進(jìn)行控制，如何進(jìn)行控制使電動(dòng)機(jī)達(dá)到規(guī)定的運(yùn)行狀況（如規(guī)定的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩），并使電動(dòng)機(jī)保持較高的性能指標(biāo)（如效率、溫升等）。本節(jié)給出了無刷直流電動(dòng)機(jī)控制的基本策略，包括無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、正反轉(zhuǎn)控制及 PWM 波控制。 無刷直流電機(jī)的 DSP 控制系統(tǒng)我們知道，在兩兩導(dǎo)通的情況下無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩基本上和相電流成正比。由這個(gè)結(jié)論可以得到以下的 BLDCM 的控制方案：無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究圖 313 無刷直流電機(jī)的 DSP 控制系統(tǒng)在本系統(tǒng)中，三個(gè)霍爾傳感器的信號分別連接到 DSP56F803 的PHASEA0、PHASEB0 和 INDEX0 端口。系統(tǒng)根據(jù)檢測到的位置信號情況判斷電機(jī)處于哪個(gè)區(qū)間，并根據(jù)兩次捕獲的時(shí)間差計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行速度。此速度作為速度參考值 的負(fù)反饋，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)速 PI 調(diào)節(jié)后，得到參考電流。另外，由霍爾電流傳感器可以得到相電流 信號，此信號作為的負(fù)反饋，經(jīng)過電流 PI 調(diào)節(jié)后，調(diào)節(jié) PWM 輸出的占空比，這樣可以根據(jù)電機(jī)運(yùn)行情況而調(diào)節(jié)逆變器 IGBT 管的導(dǎo)通時(shí)間，使電機(jī)的速度滿足設(shè)定的要求。為了獲得良好的靜動(dòng)態(tài)性能，兩調(diào)節(jié)器一般采用 PI 調(diào)節(jié)器，并且兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅決定了電流調(diào)節(jié)器給定電流的最大值，電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅限制了功率管輸出電壓的最大值。 轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)