【正文】 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)的處理間接地獲得無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。但是這些外加的位置傳感器增加了系統(tǒng)的成本和體積，降低了其可靠性，限制了其應(yīng)用范圍，對電機(jī)的制造工藝也帶來了不利的影響。這樣，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，遮光板光敏元件輪流輸出“亮電流”和“暗電流”信號，以次來判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置?！」怆妭鞲衅髟韴D　4極電機(jī)所用的遮光盤對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機(jī)，三個光電開關(guān)在空間依次相差120電角度，光電開關(guān)與電樞繞組的相對位置以及遮光盤與轉(zhuǎn)子磁極的相對位置類似于霍爾傳感器。光電式位置傳感器是由裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的遮光盤和固定不動的光電光電開關(guān)組成的，176。電角度的矩形波信號霍爾開關(guān)的安裝精度對于無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行性能有較大的影響，在安裝時不但要保證三個霍爾開關(guān)在空間彼此相差120176。電角度，這樣，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，三個霍爾開關(guān)便交替輸出三個寬為180176。對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機(jī)，三個霍爾開關(guān)在空間彼此相隔120176。第一種方式是將霍爾開關(guān)粘貼于電機(jī)端蓋內(nèi)表面，在靠近霍爾開關(guān)與之有一定間隙處，安裝著與電機(jī)軸同軸的永磁體，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子磁極的位置，其定子固定在電機(jī)本體定子或端蓋上，以檢測和輸出轉(zhuǎn)子位置信號。為了簡明起見，我們把開關(guān)型霍爾集成電路叫做霍爾開關(guān)，其外形象一只普通晶體管。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，將霍爾集成電路有開關(guān)型和線性型。霍爾元件式位置傳感器由于機(jī)構(gòu)簡單、性能可靠、成本低、是目前在無刷直流電動機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器。由于振蕩電源的頻率高達(dá)幾千赫，故變壓器的鐵心往往采用鐵氧體材料，對頻率較低的鐵心，可以采用其他軟磁材料電磁式位置傳感器具有輸出信號大、工作可靠、壽命長、適應(yīng)性強(qiáng)、對環(huán)境要求不高等優(yōu)點，多用于航空航天領(lǐng)域，但這種傳感器體積較大，信噪比較低，同時，其輸出波形為交流，一般需整流、濾波方可使用，因而限制了它在普通條件下的應(yīng)用。電角度左右。扇形導(dǎo)磁片的角度一般大于120176。就這樣，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動，在開口變壓器上分別依次感應(yīng)出電壓UB、UC、UA。一次繞組所產(chǎn)生的高頻磁通通過跟蹤轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)磁材料耦合到繞組WB上，故在WB上產(chǎn)生感應(yīng)電壓UB，而在另外兩相二次繞組WA、WC上由于無耦合回路同一次繞組相聯(lián)，其感應(yīng)電壓UA、UC基本上為零。的扇形材料，如圖4－1中涂黑的扇形片所示。它們之間分別相隔120176?！‰姶攀轿恢脗鞲衅?，它由定子和跟蹤轉(zhuǎn)子兩部分組成．定子一般由硅鋼片的沖片疊成，或用高頻鐵氧材料壓鑄而成，一般有六個極，它們之間的間隔分別為60176。［6］電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來實現(xiàn)其位置測量作用的，有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關(guān)等多種類型。位置傳感器種類較多，且各具特點。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，兩相繞組為并聯(lián)。如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布，容易得出此時合成電磁轉(zhuǎn)矩為單相電磁轉(zhuǎn)矩的倍。A、B兩相繞組并聯(lián)，流經(jīng)A、B兩相的電流大小相同。2．三三導(dǎo)通方式三相角形連接三三導(dǎo)通方式的各開關(guān)管導(dǎo)通順序為：VTVTVT3VTVTVT4VTVTVT5VTVTVT6VTVTVT1VTVTVT2。如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布。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。ωtωtωtωt0 60　120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720VT1VT4VT1VT4VT3VT6VT3VT6VT2VT5VT2VT5　電樞繞組的反電動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，電流的路線為：電源VT1A相繞組、B相繞組和C相繞組VT2地。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。所以兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式最為常見。電角度，一個管子的導(dǎo)通和關(guān)斷稍有延遲，就會發(fā)生直通短路，導(dǎo)致開關(guān)器件損壞。的電角度的不導(dǎo)通時間，不可能發(fā)生直通短路故障。如果假定氣隙磁密在空間呈正弦分布。在三三導(dǎo)通方式下，各相繞組不是在反電動勢波的平頂部分換相，而是在反電動勢的過零點換相。其中A相B相相當(dāng)與并聯(lián)。導(dǎo)通時間增加了。由此可見，三三導(dǎo)通方式也有六種導(dǎo)通狀態(tài)，同時也是每隔60176。必須指出，這個結(jié)論對于無刷直流電動機(jī)來說并不準(zhǔn)確，但可用于逆變器工作方式的定性分析。同時，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，總的電磁轉(zhuǎn)矩是每相電磁轉(zhuǎn)矩的兩倍。電角度時，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動為0。電角度。在這種工作方式下，每個電周期共有六種導(dǎo)通狀態(tài)，每隔60176。ωtVT40 30 90 150 210 270 330 390 450 510 570 630 690ωtωtωtVT1VT1VT4VT3VT6VT1VT6VT6VT2VT5VT2VT5　三相繞組的反電動勢波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律?？梢?，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動勢的大小。　　、——A、B、C三相繞組的電流。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)反電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的概念來分析其導(dǎo)通規(guī)律及特點。位置檢測的三個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。圖中，上橋臂三個開關(guān)管VTVTVT5是P溝道功率MOSFET，柵極電位低電平時導(dǎo)通；下橋臂三開關(guān)管VTVTVT2是N溝道功率MOSFET，柵極電位高電平時導(dǎo)通。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，在整個運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)矩脈動也比較大。電角度。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。（c）所示的位置時，H3為高電平，HH2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)沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，（a）所示的位置?！∪喟霕蛑麟娐稨2H31200ωt240360480H11200ωt2403604801200ωt240360480　三相半橋主電路中位置傳感器信號（a）所示的位置時，H1為高電平，HH3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)子沿順時針方向轉(zhuǎn)動。，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。η， Ia0ηIaTe　工作特性30908070605040η（％）050100150200P2(W)：實驗值－：設(shè)計值　120W樣機(jī)效率特性3 無刷直流電動機(jī)主電路的工作方式目前，無刷直流電動機(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，同時功率逆變器又有橋式和非橋式兩種。比現(xiàn)有的感應(yīng)電機(jī)的效率高20%左右，而且它在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)能保持高效率運(yùn)行。但不能通過調(diào)節(jié)勵磁調(diào)速，因為永磁體的勵磁磁場不可調(diào)。M） （）式中——堵轉(zhuǎn)電流。在不同的供電電壓驅(qū)動下，nn01n02n03n040US4US3US2US1US4US3US2US1Tst4Tst3Tst2Tst1Te　機(jī)械特性曲線當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時，流過開關(guān)管和電樞繞組的電流很大，這時管壓降隨著電流增大而增加較快，使加在電樞繞組上的電壓有所減小，向下彎曲。［5］電磁功率為：　　　　　　　　　　　（）電磁轉(zhuǎn)矩為：　　 ?。ǎ┢渲?，ω為電角速度。電角度。電角度的梯形波，(b)所示。電角度。把式（）代入式（），（），（）中，且Mab = Mbc = Mca，方程可化為： （）其中， ua、ub、uc為外加的A相、B相C相相電壓：ia、ib、ic、是A相、B相、C相相電流：ea、eb、ec為A相、B相、C相每相的反電勢［4］根據(jù)式（）： 無刷直流等效電路圖(a)所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度為恒值時，定子每相轉(zhuǎn)子反電動勢波形與磁通密度分布波形應(yīng)該一致，為了簡化分析，可將它近似為梯形波。ra相、rb相、rc相相電阻。由電機(jī)電壓平衡方程 （）式中，U表示每相電壓，R表示每相電阻，i表示每相運(yùn)行電流，L表示每相運(yùn)行電感，E表示每相反電動勢。在理想情況下，由方波氣隙磁通與矩形波定子電流相互作用，三相合成產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩紋波。(電角度)的矩形波，定子繞組為60176。③電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布。分析時對理想的永磁無刷直流電動機(jī)作如下假設(shè):①三相繞相完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱。由于定子合成磁勢每隔1/6周期（60176。電角度。電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場的磁狀態(tài)就是發(fā)生一次跳變。電角度。電角度，(b)所示的Fr位置時，(a)(b)中的Fa位置。電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場沿順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，(a)中Fa的位置靜止。在此期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60176。角，(b)所示位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換或驅(qū)動逆變器，使VTVT2導(dǎo)通，A、C兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)VT1流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)VT2回到電源負(fù)極。電樞繞組在空間產(chǎn)生的磁動勢Fa如圖1－5(a)所示，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。因此，就可產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩使無刷直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來。無刷直流電機(jī)的運(yùn)行還需依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測出轉(zhuǎn)子的位置信號，通過換相驅(qū)動電路驅(qū)動與電樞繞組連接的各功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制定子繞組的通電，在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。有刷直流電機(jī)由于電刷的換向，使得由永久磁鋼產(chǎn)主的磁場與電樞繞組通電后產(chǎn)生的磁場在電機(jī)運(yùn)行過程中始終保持垂直從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。(4)實現(xiàn)短路、過流、過電壓和欠壓等故障保護(hù)功能。(2)產(chǎn)生 PWM調(diào)制信號，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號而自動變化，實現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。無機(jī)械式位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測和計算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的物理量間接地獲得轉(zhuǎn)子位置信息，主要有反電動勢檢測法、續(xù)流二級管工作狀態(tài)檢測法、定子三次諧波檢測法和瞬時電壓方程法等。但是位置傳感器的存在增加了系統(tǒng)的成本和體積，降低了系統(tǒng)可靠性，限制了無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用范圍，對電機(jī)的制造工藝也帶來了不利的影響。轉(zhuǎn)子位置傳感器的種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開關(guān)式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。位置檢測包括有位置傳感器和無位置傳感器檢測兩種方式。多相電動機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。(3)電路成本。無刷直流電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波動比普通直流電機(jī)大，因此希望盡量減小轉(zhuǎn)矩波動。從這個角度來看，三相比四相好，四相比五相好，全橋比半橋好。(1)繞組的利用率。不同的組合會使電動機(jī)產(chǎn)生的性能和成本，這是每一個應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計都要考慮的問題。 無刷直流電動機(jī)電樞繞組與逆變器的連接目前，無刷直流電動機(jī)的逆變器主開關(guān)一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主電路已有集成功率模塊（PIC）和智能功率模塊 （IPM），選用這些模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性。由于采用自控式逆變器，無刷直流電動機(jī)輸入電流頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無刷直流電動機(jī)的重要優(yōu)點之一。2．逆變器逆變器將直流電轉(zhuǎn)化成交流電向電機(jī)供電。 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式除了普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷直流電動機(jī)之外，在電動車中還常常采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)將無刷直流電動機(jī)裝在輪轂之內(nèi)，直接驅(qū)動電動車輛。緊圈材料通常采用不導(dǎo)磁的不銹鋼，也可用環(huán)氧無緯玻璃絲帶縛扎。其中圖（a）所示的結(jié)構(gòu)是在鐵心外表面粘貼徑向充磁的瓦片形稀土永磁體，有時也采用矩形小條拼裝成瓦片形磁極，以降低電機(jī)的制造成本；圖（b）所示結(jié)構(gòu)是在鐵心中嵌入矩形稀土用磁體，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是在一個極矩下的磁通由相鄰兩個磁極并聯(lián)提供，可以獲得較大的磁通，但這種結(jié)構(gòu)需要作隔磁處理或采用不繡鋼軸。三相無刷直流電動機(jī)最為常見。定子的結(jié)構(gòu)與普通同步電動機(jī)或感應(yīng)電動機(jī)相同，鐵心中嵌有多相對稱繞組。所以無刷直流電動機(jī)的本體實際上是一種永磁同步機(jī)。 無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)的組成1．電機(jī)本體無刷直流電動機(jī)最初的設(shè)計思想來自普通的有刷直流電動機(jī)，不同的是將直流電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對稱繞組。無刷直流電動機(jī)（Brushless DC Motor，簡稱BLDCM）是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是有電動機(jī)本體、位置檢測器、逆變器和控制器組成的同步電動機(jī)系統(tǒng)或自控式變頻同步電動機(jī)。但傳統(tǒng)的直流電動機(jī)采用電刷換相－換向器結(jié)構(gòu)，以機(jī)械方式進(jìn)行換相，不可避免的存在噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等致命弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點，大大限制了它的應(yīng)用范圍，致使目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大多采用三相感應(yīng)電動機(jī)。（8）必須與一定的電子換相線路配套使用，從而使總體成本增加，從控制的角度看，有更大的使用靈活性。（6）機(jī)械噪聲低。（5）可在高速下工作。（3）無電氣接觸火花、無線電干擾少。而有刷直流電動機(jī)壽命一般較短，在高溫環(huán)境下甚至只有幾分鐘。他的工作期限主要取決于軸承及其潤滑系統(tǒng)。由于采用電力電子器件代替機(jī)械換相器，無刷直流電動機(jī)克服了有刷直流電動機(jī)的致命缺點。（3）對于永磁同步電動機(jī)，由于定子電流是轉(zhuǎn)子位置的正弦函數(shù)，系統(tǒng)需要高分辨率的位置傳感器，構(gòu)造復(fù)雜，價格昂貴。與永久