【文章內(nèi)容簡介】 子、位置傳感器、霍爾傳感器（速度控制）、電子開 關(guān)線路組成。 其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 1— 1所示。 1 前言 第 3 頁（共 37 頁） 圖 11 無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 圖 1— 1中的 位置傳 感器主要用來檢測轉(zhuǎn)子的位置，并且反饋給控制電路，控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來控制電樞電流，確保定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場始終垂直 。電動機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動機(jī) 相似，但沒有籠型繞組和其他起動裝置。 定子三相繞組有星形聯(lián)結(jié)方式和三角聯(lián)結(jié)方式，而“三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo) 通方式”最常用。 一般而言，電機(jī)的繞組數(shù)量都和永磁極的數(shù)量是不一致的（比如用 9繞組 6極，而不是 6繞組 6極），這樣是為了防止定子的齒與轉(zhuǎn)子的磁鋼相吸而對齊，產(chǎn)生 類似步進(jìn)電機(jī)的效果，此種情況下轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生很大波動。 轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù) (2p=2, 4,?) 組成。圖 11中的電 動機(jī)本體為三相兩極。 如上圖所示，位置傳感器由三只光電式位置傳感元件組成，空間互成 120176。均勻分布；位置傳感器可以控制功率開關(guān)的導(dǎo)通情況，當(dāng)控制 V1導(dǎo)通時，直流電流流入 A項(xiàng)繞組，形成位于 A項(xiàng)繞組軸線上的電樞磁勢，與轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到其他位置時，位置傳感器依次控制 V2,V3功率開關(guān)的導(dǎo)通，從而讓定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，持續(xù)產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 ，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來 。 直流無刷電動 機(jī)通過直流電源（交流電整流后）供電，然后通過換向電路的逆變作用，給定子中的線圈供電，產(chǎn)生磁場與轉(zhuǎn)子上的永磁體作用，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，位置傳感器通過感應(yīng)轉(zhuǎn)子的位置來反饋給換向電路，控制功率開關(guān)的閉合，調(diào)節(jié)定子磁場，保證轉(zhuǎn)子持續(xù)的旋轉(zhuǎn)。直流無刷電動機(jī)基本機(jī)構(gòu)及其之間的相互作用的原理圖如下： 直流無刷電動機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 第 4 頁（共 37 頁） 圖 12 無刷直流電動機(jī)的原理框圖 直流無刷電動機(jī)的電子開關(guān)線路用來控制電動機(jī)定子上各相繞組通電的時間和順序，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率 以一定的邏輯分配關(guān)系分配 給直流無刷電動機(jī)定子上的各相繞組，以便使電動機(jī)定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的電磁場 。各相繞組導(dǎo)通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號。但 是位置傳感器所產(chǎn)生的信號 不能直接用來控制功率邏輯開關(guān)單元，往往需要經(jīng)過一定邏輯處理后才能去控制邏輯開關(guān)單元。 1． 2 無刷直流電動機(jī)的工作原理 直流無刷電動機(jī)的原理圖如下所示： 1 前言 第 5 頁（共 37 頁） 圖 13電機(jī)原理圖 主電路是一個典型的電壓型交 直 交電路 。 逆變器提供等幅等頻調(diào)制波的對稱交變矩形波 ， 。永磁體 NS 交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差 120176。的 U、 V、 W方波，各個功率開關(guān)的導(dǎo)通順序?yàn)?V1V4 導(dǎo)通、 V1V6 導(dǎo)通、 V3V6 導(dǎo)通、 V3V2導(dǎo)通、 V5V2 導(dǎo)通、 V5V4 導(dǎo)通，也就是說將直流母線電壓依次加在 A+B、 A+C、B+C、 B+A、 C+A、 C+B上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對 NS 極， V1V6 功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。 每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動 60176。電度角，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當(dāng)于60176。電度角空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使 位置傳感器 U、 V、 W 產(chǎn)生新的信號，新的信號 又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進(jìn) 60176。電度角，如此循環(huán)，無刷直流電動機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩 ，拖動負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。 直流無刷電動機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 第 6 頁（共 37 頁） 圖 14 三相全控橋的六種通電情況示意圖 無刷直流電動機(jī)的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動機(jī)在啟動瞬間就會產(chǎn)生足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動繞組。由于定子磁場軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比，這 正是他勵直流電動機(jī)的電流 轉(zhuǎn)矩特性。 為了實(shí)現(xiàn)電子換向 ， 必須有位置信號來控制電路。主要通過位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子的位置并反饋給控制電路。 要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制必須有速度信號。用獲得位置信號相近方法取得速度信號，最簡單的速度傳感器是測頻式測速發(fā)電機(jī)與電子線路相結(jié)合。 直流無刷電機(jī)的換向電路由驅(qū)動及控制兩部分組成 ， 驅(qū)動電路輸出電功率，驅(qū)動電動機(jī)的電樞繞組，并受控于控制電路。目前，驅(qū)動電路已從線性放大狀態(tài)轉(zhuǎn)成脈寬調(diào)制的開關(guān)狀態(tài)，相應(yīng)電路組成也從晶體管分立電路轉(zhuǎn)成模塊化集成電路?？刂齐娐酚?作控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、電流 (或轉(zhuǎn)矩 )以及保護(hù)電機(jī)的過流、過壓、過熱等。直流無刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù) (P)影響： N=120． f / P 在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制 (驅(qū)動器 )，控制定子旋轉(zhuǎn)磁1 前言 第 7 頁（共 37 頁） 場的頻率并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是說直流無刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。 根據(jù)它勵直流電機(jī)的特性，可知直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞平均電流成正比，電樞的反電動勢 Ea 與電動機(jī)的角速度成反比，電動機(jī)的平均電流 Ia=（ VmEa）/2Ra ,Vm 為電動機(jī)的線間電壓， Vm=V178。 amp。，其中 amp。為調(diào)制波的占空比， Ra 為每項(xiàng)繞組電壓；從而可以得到直流無刷電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：Tm=amp。178。 (V178。 Kt/2Ra)Kt(KeW/2Ra)，其中 Ke、 Kt 為電動機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，當(dāng)角速度 W一定時，改變占空比可以線性的改變電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，而調(diào)制波的占空比可以通過一定的控制電路來控制位置傳感器，從而可以控制相應(yīng)定子線圈 通電時間的長短，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩受到的電磁轉(zhuǎn)矩作用的時間發(fā)生變化，最終得以控制電機(jī)的加速和制動過程；角速度 W取決于速度指令 Vc 的高低 ，如果速度指令最大值為 +5V，則 對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速 ，+5V 以下任何電平即對應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速 n，這就實(shí)現(xiàn)了變速設(shè)定。當(dāng) Vc 設(shè)定以后，無論是負(fù)載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時，反饋電壓Vfb 變小，調(diào)制波的占空比 amp。就會變大，電樞電流變大，使電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn) 速與指令轉(zhuǎn)速相等為止；反之，如果電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時， amp。減小， Tm 減小 。發(fā)生減速度，直至實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止?？梢哉f，無刷直流電動機(jī)在允許的電網(wǎng)波動范圍內(nèi)，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)定轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在 1%左右， 遠(yuǎn)小于所要求的 5%， 并可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)速 范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。由于無刷直流電動機(jī)的勵磁來源于永磁體，所以不像 異步機(jī)那樣需要從電網(wǎng)吸取勵磁電流；由于轉(zhuǎn)子中無交變磁通，其轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動機(jī)高 10%左右。 由于無刷直流電動機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電動機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。 旋轉(zhuǎn)磁場在 0360 電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù) 0120 電角度，繞組電流與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使轉(zhuǎn)子沿順時針 方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)過 0120 電角度后，便進(jìn)入第二狀態(tài)，這時繞組 A+B斷電，而繞組 A+C隨之通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)過了 0120 ，電動機(jī)轉(zhuǎn)子繼續(xù) 沿順時針方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 0120 電角度后，便進(jìn)入第三狀態(tài)，這時繞組 A+C斷 電， B+C通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場 也同時轉(zhuǎn)過了 0120 電角度，；它繼續(xù)驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)過 0120 電角度后就恢復(fù)到初始狀態(tài)了。這樣 周而復(fù)始，電動機(jī)轉(zhuǎn)子便連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。下圖示出了各相繞組導(dǎo)通順序的示意圖： 直流無刷電動機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 第 8 頁（共 37 頁） 圖 15 各相繞組的導(dǎo)通示意圖 1． 3 電機(jī)的運(yùn)行特性和傳遞函數(shù) 由于直流無刷電動機(jī)的精確計(jì)算設(shè)計(jì)到非線性理論和數(shù)值解法等諸多復(fù)雜的問題，處理起來相當(dāng)困難，目前的知識水平難以解決，因而才用一些方法進(jìn)行簡 化，現(xiàn)做如下假設(shè)： 1） 直流無刷電動機(jī) 的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度沿氣隙按正弦分布 ； 2）繞組通電時，該電流所產(chǎn)生的磁通對氣隙磁通的影響忽略不計(jì) ； 3）控制電路在開關(guān)狀態(tài)下工作，功率晶體管壓降 △UT 為恒值 ； 4）各相繞組對稱，其對應(yīng)的電路單元完全一致，相應(yīng)的電氣時間常數(shù)忽略不計(jì) ； 5）位置傳感器等控制電路的功耗忽略不計(jì)。 根據(jù)上述假設(shè)，化簡之后可以得到其電子開關(guān)電路如下： R11 0 kR21 0 kR31 0 kQ1NP NQ2NP NQ3NP NB A T 11 .5 V來自霍爾元件的信號 圖 16半控電路 1 前言 第 9 頁（共 37 頁） 由于轉(zhuǎn)子磁場在氣隙中，是按照正弦規(guī)律分部的， B=BMsinθ這樣一來，如果在定子某一相（例如 B 相）繞組 中通一持續(xù)的直流量，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為 TM=ZLBMrIsinθ 其 中， Z 是每相繞組的有效導(dǎo)體數(shù)； L 是繞組中導(dǎo)線的有效長度，即磁鐵長度 (m)；r 是電動機(jī)中氣隙的半徑 (m)； I 是繞組相電流 (A) 。 從上述電磁轉(zhuǎn)矩的公式中可以看出，如果某一項(xiàng)線圈持續(xù)通入直流電的話，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩按照正弦規(guī)律變化，并且其平均值為零；但是定子電樞是三相對稱分布的，并且由位置傳感器控制定子各相電樞線圈依次通電，每相 只是通過 1/3 周期的矩形波電流 ， 電流和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線上相當(dāng)于 1/3 周期的一段 ， 且這一段曲線 與定子繞組開始通電時的轉(zhuǎn)子相對位置有關(guān)， 下圖所示的電路中列舉了獲取最大平均轉(zhuǎn)矩的情況： 圖 17三相電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波形 如上圖所示， γ=0176。 瞬間選作晶體管開始導(dǎo)通的基準(zhǔn)點(diǎn) ， 電動機(jī)三相繞組輪流通電時，所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩 如圖 所示。若晶體管導(dǎo)通時間提前或滯后，均將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的脈動值增加，平均值減小。在三相半控電路情況下，當(dāng) γ o=30176。 時，電動機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)矩過零點(diǎn)如圖所示。這就是說，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到幾個位置時，電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為零，這會在電動機(jī)起動時出現(xiàn)死 區(qū) （即轉(zhuǎn)子在這些位置時，電 動機(jī)無起動力矩）。顯然，當(dāng)γ o≥30176。 后，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時將出現(xiàn)負(fù)值，其總輸出轉(zhuǎn)矩的平均值更小。因此在三相半控電路情況下，特別是在起動時， γ o不宜大于 30； 一般情況下， 考慮到傳感器延時、處理器執(zhí)行時間、放大器移相等諸多環(huán)節(jié)造成的延時，選擇適當(dāng)?shù)奶崆敖牵偸潜M力為把 γ o角調(diào)整到稍大于 0176。 , 選擇適當(dāng)?shù)奶崆敖牵沟迷谏鲜鲋T因素的影響下，真正能在 γ o=0176。 處實(shí)際換相。這樣，電動機(jī)所產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩 Ta 最大，可改善電動機(jī)的動態(tài)特性和效率。輸出轉(zhuǎn)矩的 最大 平均值 Ta 直流無刷電動機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 第 10 頁（共 37 頁） 電動機(jī)在電動轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)子磁場切割定子 繞組，在各相繞組上 c產(chǎn)生出感應(yīng) 電動勢。當(dāng)其轉(zhuǎn)速 n 不變時，該電動勢波形也是正弦波，相位同轉(zhuǎn)矩相位一致。由于在本電路中，每相繞組在一個周期中，只通電 2π/3 ，因此，僅在這 2π/3期間所感生出的反電動勢才對外加電壓起平衡作用，而在另外 4π/3 期間由于晶體管開關(guān)不導(dǎo)通，故其感應(yīng)電動勢對外加電壓不起作用。對外加電壓而言，三相直流無刷電動機(jī)半控電路的反電動勢波形如圖所示 ： 圖 18反電動勢波形 通過計(jì)算可以得到電樞繞組的感應(yīng)電動勢的平均值為： 為了便于求出平均反電動勢，定義反電動系數(shù)和轉(zhuǎn)矩細(xì)數(shù)如下： 1 前言 第 11 頁（共 37 頁） 反電動勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)為常數(shù) ， 其大小同主電路的接法（三相半控或全控電路）以及功率晶體管的換相方式（如兩兩換相或三三換相）有關(guān)。 由于假設(shè)各繞組相互對稱，并且相應(yīng)的時間常數(shù)忽略不計(jì)，根據(jù)上述三相星型繞組簡化電路可以得到直流無刷電動機(jī)的電壓平衡方程式為： 其中， Ea=KEn， Ta =KTI代入電壓平衡方程式中，經(jīng)過整理可以得到直流無刷電動機(jī)的幾下特性如下： 式中， n 是電動機(jī)轉(zhuǎn)速 (r/min)； U是電源電壓 (V)； △ U 是功率管壓降 (V)； Ta是電動機(jī)產(chǎn)生的電動轉(zhuǎn)矩平均值 (N178。m) ； KT是轉(zhuǎn)矩系數(shù)； R 是 電動機(jī)的內(nèi)阻 (Ω) 。 綜上所述，得到直流無刷電動機(jī)的動態(tài)方程組為： 其 中， TL是電動機(jī)的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩； GD2足電動機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪力矩 (N178。m 2)， GD2=4gJ（ J 是轉(zhuǎn)動慣量） ，其所在的方程式為電動機(jī)單軸系統(tǒng)的運(yùn)動方程式；上述方程組經(jīng)過拉普拉斯變換后可以得到： 從而可以得到直流無刷電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下： 直流無刷電動機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 第 12 頁（共 37 頁） 圖 19動態(tài)