【正文】 （ 4） 其組成亦可以用下圖 22 來(lái)表示： 圖 22 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的組成 2． 4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，就它們內(nèi) 部發(fā)生的電磁過(guò)程來(lái)說(shuō)，本質(zhì)上無(wú)多大區(qū)別，因此，不妨先了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)本體 位置傳感器 電子換向線路 主定子 主轉(zhuǎn)子 傳感器定子 傳感器轉(zhuǎn)子 12 解以下有刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。 當(dāng)接上電源后，電流 I 從電刷 A 流進(jìn)去，經(jīng)過(guò)換向片 1，線圈abcd 至換向片 2，然后由電刷 B流出，根據(jù)比奧 這個(gè)力形成了作用在線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩，根據(jù)左手定律線圈在這個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，將按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢姡谟兴⒅绷麟姍C(jī)中，就是借助電刷－換向片，使得在某一磁極下，雖然導(dǎo)體在不斷更替，但只要外加電壓的極 性不變，則導(dǎo)體中流過(guò)的電流方向始終不變，作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩方向始終不變，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向也始終不變，這就是有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向過(guò)程的本質(zhì)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置傳感器不斷地傳送信號(hào)，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變，這就是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)接觸換流過(guò)程的實(shí)質(zhì)。 直流電源 電子換向電路 電動(dòng)機(jī)本體 位置傳感器 輸出 14 圖 24 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理方框圖 應(yīng)該指出，在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，電樞繞組和相應(yīng)的功率開關(guān)元器件的數(shù)目不可能很多，所以，與有刷直流電動(dòng)機(jī)相比，它產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比較大。把所有被聯(lián)結(jié)在機(jī)械換器上面的引線頭抽出來(lái) ,并給每一個(gè)引線頭提供開關(guān) ,就可以把一臺(tái)有刷型電動(dòng)機(jī)變換成一臺(tái)無(wú)刷型電動(dòng)機(jī) 。取而代之 ,采用類似于交流電動(dòng)機(jī)中的多相繞組。 電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場(chǎng)軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間就會(huì)產(chǎn)生足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動(dòng)繞組。 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流： Tm=KtIav （ N VDC 是加在電動(dòng)機(jī)線間電壓平均值， VDC 是直流母線電壓， δ是調(diào)制波的占空比， Ra 為每相繞組電阻。（ VDC（ Keω /2Ra） 其中， Kt、 Ke 是電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)， ω為電動(dòng)機(jī)的角速度（ rad/s）， 所以，在一定的ω時(shí)，改變占空比δ，就可以線性地改變電動(dòng)機(jī)的電 磁轉(zhuǎn)矩，得到與 他 勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓控 制相同的控制特性和機(jī)械特性。 n max，那么，+5V 以下任何電平即對(duì)應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速 n，這就實(shí)現(xiàn)了變速設(shè)定?？梢哉f(shuō)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在允許的電網(wǎng)波動(dòng)范圍內(nèi)，在允許的過(guò)載能力以下，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在 1%左右，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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì) 像 變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。因此，稀土永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的體積比同容量三相異步電動(dòng)機(jī)縮小了一個(gè)機(jī)座號(hào)。過(guò)去，由于稀土永磁體價(jià)格比較高等因素，限制了稀 土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，但是 17 隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，其價(jià)格已迅速下降 ， 稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì) 。因此我們直接利用電動(dòng)機(jī)本身的相變量來(lái)建立數(shù)學(xué)模型。 （ 2） 定子齒槽的影響不計(jì)。 （ 4） 忽略電機(jī)中的磁滯和渦流損耗。 由于轉(zhuǎn)子的磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而改變，因此定子繞組的自感和互感為常數(shù)，則相繞組的電壓平衡方程可表示為： ???????????????????????????????????????????????????????????????cbacbacbacbaeeeiiidtdLMMMLMMMLiiirrruuu000000 （ 1－ 1） 式中 ua、 ua、 ua－定子相繞組電壓（ V）。 ea、 ea、 ea －定子向繞組電動(dòng)勢(shì)（ V）。 L －每相繞組的自感（ H） 。 由于三相繞組為星形連接， ia + ib + ic = 0 ,因此 Mia + Mib + Mic = 0 ,所以有下式成立： ??????????????????????????????????????????????????????????????????cbacbacbacbaeeeiiidtdMLMLMLiiirrruuu000000000000 （ 3－ 1） 由此可得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的等效電路如圖 31 所示。 圖 31 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的等效電路 式（ 31）所代表的是一個(gè)等 價(jià)的實(shí)現(xiàn)相間磁路關(guān)系解耦的相電壓模型。由于中性點(diǎn)電位不可直接測(cè)取，因而相電壓實(shí)際 19 上是個(gè)未知量，已知量為直流側(cè)電壓（線電壓），所以該模型還不能直接求解相電流的變化規(guī)律。 . 圖 32 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理圖 3． 2． 2 PWM 調(diào)制方式 對(duì)于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī) ,在一個(gè)周期內(nèi) ,每個(gè)功率開關(guān)器件導(dǎo)通 120 度電角度 ,每隔 60 度有兩個(gè)開關(guān)器件切換 .因此 ,PWM 調(diào)制方式可以有以下五種 : (1) on_pwm型 :在 120 度導(dǎo)通區(qū)間內(nèi) ,各開關(guān)管前 60 度恒通 ,后 60 度采用 PWM 調(diào)制 ,如圖 33 所示 . 圖 33 半橋 PWM 調(diào)制（ on_pwm型） 21 (2) Pwm_on 型 :在在 120 度導(dǎo)通區(qū)間內(nèi) ,各開關(guān)管前 60 度采用 PWM調(diào)制 ,后 60 度恒通 , 如圖 34 所示。 圖 36 全橋 PWM 調(diào)制（ H_pwm – L_pwm） 方式 (1),(2),(3),(4)又稱為 半橋臂調(diào)制方式 ,即在任意一個(gè) 60 度區(qū)間 ,只有上橋臂或橋臂開關(guān)進(jìn)行斬波調(diào)制 .其中 ,方式 (1)和 (2)為雙管調(diào)制方式 ,即在調(diào)制過(guò)程中上橋臂或下橋臂的功率開關(guān)都參與斬波調(diào)制 .方式 (3)和 (4)又稱為單管調(diào)制方式 ,即在調(diào)制過(guò)程中只有上橋臂或下橋臂的功率開關(guān)參與斬波調(diào)制 . 方式 (5)又稱為全橋調(diào)制方式 ,即在任意一個(gè) 60 度區(qū)間內(nèi) ,上下橋臂的功率開關(guān)同時(shí)進(jìn)行斬波調(diào)制 . 在全橋調(diào)制方式中 ,功率開關(guān)的動(dòng)態(tài)功耗是半橋調(diào)制方式中的兩倍 .與半橋調(diào)制方式相比 ,全橋調(diào)制方式降低了系統(tǒng)效率 ,給散熱帶來(lái)困難 .因此 ,考慮到功率開關(guān)的動(dòng)態(tài)功耗 ,在 PWM 調(diào)制方式上應(yīng)選折半橋調(diào)制方式 .同時(shí) ,在半橋調(diào)制方式中 ,雙管調(diào)式方式不增加功率開關(guān) 23 的動(dòng)態(tài)損耗 ,并解決了由單管調(diào)制所造成的功率開關(guān)散熱不均 ,提高了系統(tǒng)的可靠性 .因此 ,在 PWM 調(diào)制方式中應(yīng)采用半橋調(diào)制中的雙管調(diào)制方式 . 3． 2． 3 正反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制 對(duì)于普通的有刷直流電動(dòng)機(jī) ,只要改變勵(lì)磁磁場(chǎng)的極性或電樞電流的方向 ,就可以改變轉(zhuǎn)向 .而對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) ,由于永磁歷次磁場(chǎng)很難改變極性 ,且功率開關(guān)管的導(dǎo)電是單方向的 ,不能簡(jiǎn)單地改變磁場(chǎng)極性或電樞電流方向 ,一般通過(guò)改變逆變器功率開關(guān)的邏輯關(guān)系使電樞各相繞組導(dǎo)通發(fā)生 變化來(lái)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn) . . 下面我們以圖 37 的霍爾開關(guān)式位置傳感器為例分析兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。此時(shí)霍爾開關(guān) Ha、 Hb 在傳感器磁場(chǎng)的作用下輸出高電平，而 Hc 不受磁場(chǎng)作用，輸出低電平。 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò) 60 度電角度，到達(dá)圖 38(b)所示的 A、 C 兩相導(dǎo)通狀態(tài)的位置，定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用仍使電機(jī)順時(shí)針旋 轉(zhuǎn)，而位置信號(hào)的邏輯為： Ha=0,Hb=1,Hc=0. 依次類推，可以得到一個(gè)通電周期內(nèi)其他通電狀態(tài)下位置信號(hào)的邏輯，如圖 38（ c） ~（ f）所示。 24 表 13 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)繞組通電順序和位置信號(hào)控制邏輯 工作狀態(tài) 1 2 3 4 5 6 Ha 1 1 0 0 0 1 Hb 0 0 0 1 1 1 Hc 0 1 1 1 0 0 導(dǎo)通相 A~B A~C B~C B~A C~A C~B 導(dǎo)通管子 VTVT6 VTVT2 VT3 、VT2 VT3 、VT4 VTVT4 VTVT6 3． 2． 3． 2 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 當(dāng)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，各相繞組的通電順序與位置信號(hào)的邏輯如表 14 所示。如表 15 所示。 25 表 15 開關(guān)管的控制邏輯 管子 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 順時(shí)針 HbHc HaHb HaHc HbHc HaHb HaHc 逆時(shí)針 HbHc HaHb HaHc HbHc HaHb HaHc 圖 38 中給出的位置是每個(gè)狀態(tài)的開始位置?？梢姡?A 相繞組在其反電動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大之前 60 度電角度時(shí)導(dǎo)通，在其反電動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大之后 60 度電角度時(shí)關(guān)斷。因此，圖 37 所示的位置傳感器決定的換相點(diǎn)滿足兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式的要求。 （ 2） 采用逐步細(xì)化的方法，設(shè)計(jì)逆變器、位置檢測(cè)器和控制器的硬件電路及其各部分電路之間的接口。 （ 4） 綜合調(diào)試。 下面我們簡(jiǎn)要說(shuō)明無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)各組成部分的設(shè)計(jì)方法。功率逆變器主電路與繞組的聯(lián)接方式、電機(jī)的功率等有關(guān)。目前，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中功率開關(guān)管主要為功率 MOSFET 和 IGBT。 （ 2） 驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路將控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大后，向各功率開關(guān)管送去使其能飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路大部分是采用分立元件搭建而成，電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、可靠性差。 2 位置檢測(cè)器 位置檢測(cè)器分有位置傳感器和無(wú)位置傳感器 兩種。一般霍爾集成電路是集電極開路輸出，需要在檢測(cè)環(huán)節(jié)加上拉電阻；同時(shí)還需要根據(jù)檢測(cè)波采取一定的硬件濾波和軟件防抖動(dòng)措施。模擬控制器在以往的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中大量應(yīng)用，但由于模擬電路中不可避免的存在參數(shù)漂移和參數(shù)不一致等問(wèn)題，加上線路復(fù)雜 、調(diào)試不便等因素，因此只用于一些經(jīng)濟(jì)實(shí)用型無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中。雖克服了分立元件帶來(lái)的弊端，但其應(yīng)用范圍局限性大，功能難以擴(kuò)展。 3． 3 無(wú)刷直流電機(jī)的 控制方式 3． 3． 1 三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路主要有星形連接的三相半橋式、星形連接的三相橋式和角形連接的三相橋式三種形式。 （ 2）星形連接的三相橋式主電路 圖 310 所示是一種星形連接三相橋式主電路。這種逆變器 30 電路利用 P 溝道 MOSFET 和 N 溝道 MOSFET 導(dǎo)通規(guī)律的互補(bǔ)性，簡(jiǎn)化了功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路。 （ 3）角形連接三相橋式主電路 圖 311 所示的角形連接三相橋式主電路的開關(guān)管也采用MOSFET。 圖 311 三角形連接的三相橋式主電路 3． 3． 2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè) 在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中 ,常用的位置傳感器主要有以下幾種類型 : 1,電磁式位置傳感器 ： 它是利用電磁效應(yīng)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置的 .有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關(guān)電路等多種類型 .在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中 ,使用較 多的是開口變壓器 .下面介紹開口變壓器類型 . 它由定子和轉(zhuǎn)子組成 ,定子由磁心、激磁繞組和輸出繞組組成 ,轉(zhuǎn) 31 子由非磁性圓盤和扇形導(dǎo)磁片組成 ,轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體同軸連接 .定子磁心和轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁片由高頻磁材料制成 .扇型導(dǎo)磁片的個(gè)數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的極對(duì)數(shù)相等 .定子磁心共有 6個(gè)極 ,在空間均勻分布 .其中三個(gè)極上的繞組串聯(lián)以來(lái) .通以高頻激磁磁電流 。 輸出信號(hào)經(jīng)整流 ,濾波后 ,即可用于控制逆變器開關(guān)管 。 圖 312 電磁式位置傳感器 32 2， 磁敏式位置傳感器 ： 常見的磁敏式位置傳感器是由霍爾傳感器或霍爾集成電路構(gòu)成的 。 霍爾元件產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很低 ,在應(yīng)用時(shí)往往需