【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 式的電動(dòng)機(jī)配合使用。 本論文中采用三相橋式換相電路。如圖 23 所示為三相橋式電路與星形繞組電動(dòng)機(jī)連接的示意圖。 位置檢測(cè)電路 位置檢測(cè)電路的作用是檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，檢測(cè)得到的信號(hào)決定了各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間，是電子換相的依據(jù)。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)處于有位置傳感器工作方式時(shí)，轉(zhuǎn)子位置信息由傳感器提供，傳感器的種類和組成在167。 已作介紹。處于無(wú)位置傳感器工作方式時(shí)，通過(guò)變換電動(dòng)機(jī)的可測(cè)量量得到轉(zhuǎn)子位置信息。 由位置傳感器或其它檢測(cè)電路獲得的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，在提供給電子換相電路使用前，需先行處理，一般不直接使用。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 在結(jié)構(gòu)上，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的本體和永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但是沒(méi)有籠型繞組和其他起動(dòng)裝置。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子設(shè)計(jì)成多相繞組，一般為三相。本論文研究的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組采用三相星形連接結(jié)構(gòu)。下面以它為例，說(shuō)明無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。 三相星形繞組的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與167。 中介紹的三相橋式換相電路相結(jié)合，組成三相全控運(yùn)行方式。三相全控運(yùn)行方式具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，繞組利用率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用。圖 24 所示為三相全控運(yùn)行電路接線原理圖。 三相全控運(yùn)行方式因同時(shí)導(dǎo)通的繞組數(shù)不同可分為兩兩導(dǎo)通方式 （也稱為 120176。導(dǎo)通方式）和三三導(dǎo)通方式（也稱為 180 176。導(dǎo)通方式）。 三三導(dǎo)通方式是指任一瞬間（換相瞬間除外）均有三個(gè)功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，每隔 60176。電角度換相一次，每次一個(gè)功率管換相，每個(gè)功率管通電 180 176。電角度。在圖 29 所示電路中，各功率管按、、…的順序?qū)ā? 兩兩導(dǎo)通方式是指任一時(shí)刻（換相瞬間除外）只有兩相繞組導(dǎo)通，每 60176。 電角度換相一次，每次一個(gè)功率管換相，每相繞組導(dǎo)通 120 176。電角度。在圖 24 所示的電路中，各功率管按、、…的順序?qū)ā? 假設(shè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為三相星形連接，運(yùn)行在兩兩導(dǎo)通方式，該電動(dòng)機(jī)有一對(duì)磁極，利用傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。同時(shí)，假設(shè)三相定子繞組電流從 A 、 B、C流入，x、 y 、z流出，符合右手螺旋定則的磁場(chǎng)方向?yàn)檎?。電?dòng)機(jī)定子繞組反電勢(shì)方向如圖24 所示。 按照上述假定，該無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置、功率管觸發(fā)邏輯和定子繞組反電勢(shì)波形關(guān)系如圖 25 所示。 結(jié)合圖 24 和圖 25，下面對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換相過(guò)程進(jìn)行分析。 假設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖 25 中所示的位置時(shí)，通過(guò)位置檢測(cè)，控制器輸出控制信號(hào)使功率開(kāi)關(guān)管、導(dǎo)通，即繞組 A、 C相通電，電流流通路徑為：電源正極→管→ A相繞組→C 相繞組→管→電源負(fù)極，電樞合成磁勢(shì)為。在合成磁勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)30186。電角度，到達(dá)圖 25 所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)方向與B 相負(fù)磁勢(shì)?方向相同，此時(shí) B 相中的反電勢(shì)為零。轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)30186。電角度，到達(dá)的位置，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出變化，經(jīng)控制器邏輯變換后使管關(guān)斷,管導(dǎo)通，即繞組 B、C 相通電，電流流通路徑為：電源正極→管→B 相繞組→C 相繞組→管→電源負(fù)極，電樞合成磁勢(shì)為。在合成磁勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過(guò)30186。電角度到達(dá)位置時(shí)，此時(shí)的懸空相 A 相繞組的反電勢(shì)為零。再經(jīng)過(guò)30186。電角度，轉(zhuǎn)子到達(dá)位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)出現(xiàn)變化，控制器關(guān)斷功率管,導(dǎo)通功率管。 依此類推，轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蛎哭D(zhuǎn)過(guò) 60 176。電角度，功率開(kāi)關(guān)管切換一次，功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通邏輯為、、…，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)始終受到定子合成磁場(chǎng)的作用，沿順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。在換相過(guò)程中，定子繞組電流在空間內(nèi)所形成的合成磁場(chǎng)不是連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而是一種跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，每個(gè)步進(jìn)角度為 60 176。電角度。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型對(duì)于徑向激磁結(jié)構(gòu)，稀土永磁體直接面對(duì)均勻氣隙，由于稀土永磁體的取向性好，所以可以獲得具有較好方波形狀的氣隙磁場(chǎng)，其理想波形如圖 26 所示。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，受定子繞組合成磁場(chǎng)的作用，轉(zhuǎn)子沿著一定的方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子上的電樞繞組在空間切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。 對(duì)于方波氣隙磁場(chǎng)的電動(dòng)機(jī)，當(dāng)定子繞組采用集中整距繞組，方波磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)梯形波電勢(shì)，如圖 27 所示。 對(duì)于星形連接、兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)控制的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，方波氣隙磁密在空間的寬度應(yīng)大于 120 176。電角度，在定子繞組中感應(yīng)的梯形波反電勢(shì)的平頂寬也應(yīng)大于 120 176。電角度。方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)一般采用方波電流驅(qū)動(dòng)，即與 120 176。導(dǎo)通型逆變器相匹配，由逆變器向方波電動(dòng)機(jī)提供三相對(duì)稱的、寬度為 120 176。電角度的方波電流。方波電流應(yīng)與反電勢(shì)相位一致或位于梯形波反電勢(shì)的平頂寬度范圍內(nèi)。 本文所研究的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，均具有方波形狀氣隙磁場(chǎng)分布，其運(yùn)行方式均為星形連接、兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)方式。 第三章 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制與換向分析 無(wú)刷直流電機(jī)是近年來(lái)隨著電力電子器件及新型永磁材料而迅速發(fā)展成熟的一種新型電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)與永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)相似。定子結(jié)構(gòu)與普通的同步電機(jī)及異步電機(jī)相同，鐵心中嵌放對(duì)稱多相繞組，繞組可結(jié)成星形或三角形；轉(zhuǎn)子采用永磁結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)和永磁體的形狀不同，其氣隙磁場(chǎng)波形可以梯形波或正弦波，電機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的反電勢(shì)波形也為梯形波及正弦波。通常，反電勢(shì)為正弦波的電機(jī)叫做永磁同步電機(jī)，反電勢(shì)為方波或梯形波的電機(jī)稱為無(wú)刷直流電機(jī)。 永磁體產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通，加上電壓的定子線圈產(chǎn)生電磁極。轉(zhuǎn)子(等效為一個(gè)條形的磁體)被加了電壓的定子相所吸引，因此產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)使用合適順序把電供給定子相，就產(chǎn)生并保持一個(gè)定子上的轉(zhuǎn)動(dòng)的磁場(chǎng)。圖 無(wú)刷直流電機(jī)橫截面 Fig The cross section of BLDC motor 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)與誤差分析 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法 在綜合分析和比較了各種無(wú)位置傳感器位置檢測(cè)技術(shù)，并考慮系統(tǒng)的可靠性、技術(shù)成本和成熟性等問(wèn)題后，本系統(tǒng)的位置檢測(cè)采用反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法。 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中給出了多種反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)方法。最常用的是將端電壓經(jīng)過(guò)低通濾波，然后與由 3 個(gè)星形連接的對(duì)稱電阻構(gòu)成的虛擬中性點(diǎn)進(jìn)行比較，得到具有移相 90186。的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱方法 1)。這種方法由于引入了低通濾波器，因而會(huì)對(duì)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)產(chǎn)生移相，并且電機(jī)轉(zhuǎn)速不同，低通波器對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的移相不同，因此，檢測(cè)到的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)存在著因?yàn)V波電路移相而產(chǎn)生的誤差。針對(duì)這種不足，有學(xué)者提出了一種不用低通濾波器，而在 PWM 關(guān)斷時(shí)刻檢測(cè)未導(dǎo)通相繞組反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的新策略(以下簡(jiǎn)稱方法 2)。這種方法消除了因?qū)π盘?hào)濾波而引起的移相誤差。近年來(lái)，DSP 在電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，基于 DSP 的高速計(jì)算和處理能力，將電機(jī)三相繞組的端電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并推導(dǎo)出三相繞組端電壓與未導(dǎo)通相反電勢(shì)的關(guān)系，通過(guò)計(jì)算解出反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱方法 3)。本小節(jié)采用第 3 種反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)方法進(jìn)行位置檢測(cè)，下面簡(jiǎn)單敘述其工作原理。 圖 描述了電機(jī)每相繞組電氣模型，其中 L 為相電感，R 為相電阻，每一相的反電動(dòng)勢(shì)，為星形連接中性點(diǎn)對(duì)地電壓，為對(duì)地相電壓，其中 x 可為 a、b 或 c。圖 定子電氣模型 Stator terminal electrical model 每相繞組終端電壓的模型如下： （） 這里假定電機(jī)運(yùn)行中某一時(shí)刻只有 AB 兩相繞組導(dǎo)通，C 相繞組未導(dǎo)通，未導(dǎo)通相繞組的電流為零，則端電壓方程如下： （） （） （） 可以看出，未導(dǎo)通相繞組端電壓等于中性點(diǎn)電壓的時(shí)刻，就是未導(dǎo)通相繞組反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻。因此，可以將未導(dǎo)通相繞組端電壓與中性點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，來(lái)獲得繞組的反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。但 BLDC 的中性點(diǎn)一般都沒(méi)有引出，并且端電壓信號(hào)中含有 PWM 斬波、繞組電流變化而產(chǎn)生的電抗電勢(shì)等干擾信號(hào)，因此，無(wú)法直接將繞組端電壓和電機(jī)中性點(diǎn)電壓進(jìn)行比較。 由于在任意時(shí)間定子繞組中只有兩相電流時(shí)，這兩相電流方向相反且第三相電流為 0。 （）將以上三個(gè)端電壓方程相加得到： （）在反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻三個(gè)反電動(dòng)勢(shì)之和為 0。則式()可以簡(jiǎn)化為： （）于是就可以用三相端電壓之和來(lái)計(jì)算得到3 。那么式()就有： （） 由式()可以看出，只要判斷上式右端的正負(fù)符號(hào)改變情況，就可以判斷出非導(dǎo)通相(C 相)反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。 電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，每一反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零兩次，這樣我們就可以利用 DSP 高速的運(yùn)算和數(shù)字處理能力，將電機(jī)三相繞組端電壓信號(hào)經(jīng)過(guò) DSP 的 AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再用上面推導(dǎo)出的三相繞組端電壓與非導(dǎo)通相反電勢(shì)之間的關(guān)系，通過(guò) DSP 計(jì)算求得非導(dǎo)通相繞組反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，從而可以得到對(duì)應(yīng)于換相的信息。 該種方法直接對(duì)端電壓進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，但同樣存在 PWM 斬波等干擾信號(hào)，對(duì) AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性略有影響，因此仍需要對(duì)三相端電壓進(jìn)行濾波。 位置檢測(cè)誤差定性分析 無(wú)位置傳感器控制的無(wú)刷直流電機(jī)采用反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)判斷轉(zhuǎn)子位置，是一種忽略眾多影響因素的近似方法，通過(guò)這種方法獲得的轉(zhuǎn)子位置與實(shí)際情況相比仍然存在一定的誤差。本節(jié)對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)