【文章內(nèi)容簡介】 。無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理和有刷直流電動機(jī)基本相同，即在一個(gè)具有恒定磁通密 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 8 度分布的磁極下，保證電樞繞組中通過的電流總量恒定 ，以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，而且轉(zhuǎn)矩只與電樞電流的大小有關(guān)。 由于轉(zhuǎn)子的氣隙磁通為梯形波，由電機(jī)學(xué)原理可知，電樞的感應(yīng)電動勢亦為梯形波，大小與轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)速成正比。 BLDCM 三相電樞繞組的每相電流為 120176。通電型的交流方波，反電動勢為 120176。梯形波。只要控制好逆變器各橋臂功率器件的開關(guān)時(shí)刻就能滿足上述要求。 BLDCM 三相繞組主回路基本類型有三相半控和三相全控兩種。三相半控電路的特點(diǎn)是簡單，一個(gè)可控硅控制一相的通斷，每個(gè)繞組只通電 1/3 的時(shí)間，另外 2/3 時(shí)間處于斷開狀態(tài)，沒有得到充分的利用，在運(yùn)行過程中 的轉(zhuǎn)矩波動較大。所以最好采用三相全控式電路，電路如圖 所示，在該電路中，電動機(jī)的繞組為 Y 聯(lián)結(jié)。 圖 22 中 UI 為逆變器， PMM 為永磁電動機(jī)本體， PS 為與電動機(jī)本體同軸連接的轉(zhuǎn)子位置傳感器。控制電路對轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的信號進(jìn)行邏輯變換后，產(chǎn)生脈寬調(diào)制 (PWM)信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電動機(jī)各相繞組按一定順序工作，在電動機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場 [9][11]。下面以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機(jī)來說明其工作原理。無刷直流電動機(jī)三相全控電路如圖 22 所示： 圖 22 無刷直流電動機(jī)三相全控電路 當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁磁極位于圖 (a)所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出磁極位置信號，經(jīng)過驅(qū)動電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使功率開關(guān)管 VT1， VT6 導(dǎo)通，即繞組 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 9 A， B 通電， A進(jìn) B 出，電樞繞組在空間的合成磁勢為 Fa，如圖 (a)所示。此時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用，拖動轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。電流流通路徑為：電源正極→ VT1 管→ A 相繞組→ B 相繞組→ VT6 管→電源負(fù)極。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 60176。電角，到達(dá) 圖 23(b)中位置時(shí)，位置傳感器輸出信號，經(jīng)邏輯變 換后使開關(guān)管 VT6 截止、 VT2導(dǎo)通，此時(shí) VT1 仍導(dǎo)通。這使繞組 A， C 通電， A 進(jìn) C 出，電樞繞組在空間合成磁場如圖 23(b)中 Fa。此時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，電流的流通路徑為：電源正極→ VT1 管→ A 相繞組→ C 相繞組→ VT2 管→電源負(fù)極，依此類推。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針每轉(zhuǎn)過 60176。電角時(shí)，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為： VT3VT2→ VT3VT4→ VT5VT4→ VT5VT6→ VT1VT6?則轉(zhuǎn)子磁場始終受到定子合成磁場的作用并沿順時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。無刷直流電動機(jī)工作原理如圖 23所示： (a)磁極處于 B 相繞組平面 (b)磁極處于 A相繞組平面 圖 23 無刷直流電動機(jī)工作原理示意圖 在圖 23(a)到圖 23(b)的 60176。電角范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場順時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動，而定子合成磁場在空間保持圖 23(a)中的 Fa 的位置不動，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)夠 60176。電角到達(dá)圖 23(b)中的 Fa 的位置時(shí)，定子合成磁場才從圖 23(a)中 Fa 位置順時(shí)針躍變至圖 23(b)中的 Fa 的位置?？梢姸ㄗ雍铣纱艌鲈诳臻g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)角是 60176。電角。 直流電動機(jī)的 PWM 調(diào)速原理 直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法就是調(diào)節(jié)電樞電壓。改變電樞電壓 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 10 調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動機(jī)的電樞端電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)就稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。它被越來越廣泛的應(yīng)用在各種功率的調(diào)速系統(tǒng)中。 本系統(tǒng)利用開關(guān)驅(qū)動方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào) 制(PWM)來控制電動機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 兩端的電壓波形。當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機(jī)電樞繞組兩端有電壓 1t,SU 秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機(jī)電樞兩端電壓為 0, tz秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程如下圖 24所示： U1 0 T U0 Us t1 t2 0 圖 24 輸入輸出電壓波形 電動機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值 0U 。為 UUttt UtU aTS 1112110 ???? （ 21） 式中占空比 a表示在一個(gè)周期 T里，開關(guān)管 導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值， a變化范圍為 01之間。所以當(dāng)電源電壓 Us不變時(shí)，電樞的端電壓的平均值 U。取決于占空比的大小，改變 a值就可改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的 .理想空載轉(zhuǎn)速與占空比 a成正比。 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 11 第 3 章 無刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì) 無刷直流電機(jī)控制器在控制方式上主要有以專用集成芯片、單片機(jī)和 DSP芯片控制三種方式。以專用集成芯片為核心的控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格較便宜，但是系統(tǒng)靈活性不足，保護(hù)功能有限，以 DSP芯片為核心的控制器，控制精度較高，但是算法較復(fù)雜，開發(fā)周期長，成本較高，不 易在市場上推廣。本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為主控芯片可以彌補(bǔ)上述兩方案的不足。 無刷直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)若只通過 PWM(或 SPWM)改變驅(qū)動電路的控制電壓來達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，則稱該系統(tǒng)為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即控制是單方向進(jìn)行的，輸出轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓，控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生。在實(shí)際中許多需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定提出較嚴(yán)格的要求。當(dāng)電動機(jī)的調(diào)速性能要求較高時(shí)，必須采用閉壞調(diào)速系統(tǒng)。 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)之間相互影 響，難以進(jìn)行調(diào)節(jié)器動態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠好。在采用電流截止負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，一個(gè)調(diào)節(jié)器需完成兩種調(diào)節(jié)任務(wù)：正常負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，過載時(shí)進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。一般而言，在這種情況下，調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)無法保證兩種調(diào)節(jié)過程同時(shí)具有良好的動態(tài)品質(zhì)。 如果是多級電機(jī)，則可得下式： ? ????xxnCBACBAnCCBBAAnIEPiiieeePieieiePT ?????????????????? 1)(e （ 31） 式中， nP 為電機(jī)極對數(shù)， xE 、 xI 分別為反電動 1m 勢和相電流的向量形式。反電動勢 xE 又可寫為： 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 12 ?NlrbE 2x ? （ 32） 結(jié)合以上兩個(gè)公式可見，反電勢與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。顯然，轉(zhuǎn)矩的大小 eT 與電機(jī)中的相電流 I 成正比，改變相電流 I ，相應(yīng)的也就改變了轉(zhuǎn)矩 eT 的大小，也就改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速的目的。因此，如何改變無刷直流電動機(jī)相電流了成了調(diào)速的關(guān)鍵一環(huán)。具體實(shí)現(xiàn)是通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的電流占空比 (PWM)的方法來達(dá)到改變相電流 I 的目的，相應(yīng)地改變了轉(zhuǎn)矩的大小。由以上分析，可以確定控制方案如圖 31所示： 速 度 調(diào) 節(jié) 電 流 調(diào) 節(jié) P W M 控 制電 流 檢 測三 相 逆 變 器 B L D C M 位 置 檢 測轉(zhuǎn) 速 運(yùn) 算+ 轉(zhuǎn) 速 給 定位 置 參 數(shù)電 流 反 饋電 流 參 考轉(zhuǎn) 速 反 饋+ 圖 31 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)框圖 在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，既要控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又要控制電流使系統(tǒng)在充分利用電動機(jī)過載能力的條件下獲得最佳的過渡過程，其關(guān)鍵是處理好轉(zhuǎn)速控 制與電流控制之間的關(guān)系，就是將二者分開，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出電壓作為電流調(diào)節(jié)器 ACR 的電流給定信號，再用 ACR 的輸出電壓作為逆變電路的換相控制電壓。 由圖 31可知，內(nèi)環(huán)即電流調(diào)節(jié)環(huán)調(diào)節(jié)定子磁場的大小，定子磁場的大小正比于流過定子線圈的電流，控制定子線圈的電流即可控制定子磁場的大小。外環(huán)即速度控制環(huán)，將給定的速度信號與經(jīng)過轉(zhuǎn)子位置檢測器后計(jì)算的速度信號之差作為速度環(huán)的輸入，其作用是增加系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的能力，抑制速度波動，并具 有良好的動、靜態(tài)特性。另外，系統(tǒng)還有一個(gè)環(huán)路就是位置檢測環(huán)，獲得轉(zhuǎn)子的位置信號，確保電機(jī)能正確進(jìn)行換相。當(dāng)定子繞組的某一相導(dǎo)通的時(shí)候，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁 鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置檢測器將轉(zhuǎn)子 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 13 位置轉(zhuǎn)換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定順序?qū)ǎ? 定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序 是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的作用。 SPWM 控制技術(shù) 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制 (PWM)技術(shù) 已在中小功率電動機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。但 PWM 波形的諧波分量大，過高的諧波會使電機(jī)產(chǎn)生附加損耗和噪音，不利于電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。正弦波脈寬調(diào)制 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)技術(shù)是基于正弦波產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號的方法，其效果與正弦波等效，很好地克服了 PWM 技術(shù)的缺陷。 SPWM 控制的基本原理 在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不相等的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。這一結(jié)論是 SPWM 控制的重要理論基礎(chǔ)。 如圖 32(a)所示，將正弦波看成是由 N 個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都為π /N，但幅值不等，且脈沖的頂部為曲線，各脈沖的幅值按正弦波規(guī)律變化。如果將上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形狀脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)的正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖的相應(yīng)正弦部分面積相等，就有圖 32(b)所示的脈沖序列。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而與正弦波等效的波形，即為 SPWM 波形。 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 14 （ a ）( b )00uuω tω t 圖 32 SPWM控制的基本原理圖 SPWM 的數(shù)學(xué)模型 SPWM 法可由模擬電路和數(shù)字電路等硬件電路來實(shí)現(xiàn)，也可由微控制器，即硬件與軟件結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)。用硬件電路實(shí)現(xiàn) SPWM 法，通常是用一個(gè)正弦波信號發(fā)生器產(chǎn)生可以調(diào)頻調(diào)幅的正弦波 (調(diào)制波 )信號，再用一個(gè)三角波信號發(fā)生器產(chǎn)生幅值不變的三角波（載波）信號，將它們進(jìn)行比較，由兩者的交點(diǎn)來確定逆變器開關(guān)的轉(zhuǎn)換，如圖 33所示 ： 圖 33 三角波載波 SPWM法 直流無刷電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究 15 無刷直流電動機(jī)無位置傳感器的檢測方法 無位置傳感器無刷直流電動機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。正因?yàn)橛兴⒅绷麟姍C(jī)的換向器與電刷 等嚴(yán)重的限制了電機(jī)性能的提高和發(fā)展?jié)摿Γ攀沟萌藗兿肴サ魮Q向器與電刷，在這種情況下，位置傳感器的應(yīng)用被提上了日程。它大大的解決了因換向器與電刷互相摩擦所帶來的電火花、噪聲、無線電干擾以及壽命短等問題。但是它也有自身的缺點(diǎn)，由于位置傳感器的存在，增加了無刷直流電動機(jī)的重量和尺寸，不利于電機(jī)的小型化；旋轉(zhuǎn)時(shí)傳感器難免有磨損，且不易維護(hù)。同時(shí)，傳感器的安裝精度和靈敏度直接影響電機(jī)的運(yùn)行性能。為了適應(yīng)無刷電機(jī)的發(fā)展，無位置傳感器無刷直流電動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，它不直接檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，與有 刷電機(jī)相比，省去了位置傳感器，簡 化了電動機(jī)本體結(jié)構(gòu)，取得了良好效果，并得到了廣泛的應(yīng)用。 在小型和輕載起動條件下，無位置傳感器無刷直流電動機(jī)成為理想的選擇。目前這種電機(jī)被廣泛地應(yīng)用于空調(diào)、洗衣機(jī)等。除了在電機(jī)上安裝霍爾元件、光電碼盤等裝置直接檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，還可以通過檢測電機(jī)的磁鏈、電流和電壓等物理量，再經(jīng)過相應(yīng)的處理間接地求得電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。由于不是直接檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，因此這種通過檢測磁鏈、電流和電壓等物理量來得到轉(zhuǎn)子位置的直流電動機(jī)也被稱為無位置傳感器的無刷直流電動機(jī)。以下將介紹幾種無位置傳感器的檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的方法。 反電動勢