【正文】 礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，這一淵源關(guān)系從其名稱(chēng)中就可以看出來(lái)。但是，有機(jī)械接觸電刷 換向器一直是電流電機(jī)的一個(gè)致命弱點(diǎn)，它降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場(chǎng)合中的使用。早在 1917年， Bolgior就提出了用整流管代替有刷直 流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無(wú)刷直流電機(jī)的基本思想。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展在很大程度上取決于電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)發(fā)展的早期，由于當(dāng)時(shí)大功率開(kāi)關(guān)器件僅處于初級(jí)發(fā)展階段，可靠性差，價(jià)格昂貴，加上永磁材料和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)水平的制約，使得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)自發(fā)明以后的一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，性能都不理想，只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無(wú)法推廣使用， 1970年以后，隨著電力半導(dǎo)體工業(yè)的 飛速發(fā)展，許多新型的全控型半導(dǎo)體功率器件（如 GTR、 MOSFET、 IGBT等）相繼問(wèn)世，加之高磁能積永磁材料（如 SmCo、 NsFeB）陸續(xù)出現(xiàn)，這些均為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)， 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)因而得到了迅速的發(fā)展。 隨著人們對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)特性了解的日益深入，無(wú)刷直流電動(dòng) 機(jī)的理論也逐漸得到了完善。 我國(guó)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究起步 較晚。經(jīng)過(guò)多年的努力，目前，國(guó)內(nèi)已有無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的系列 產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。在較高速度上運(yùn)行時(shí)，電刷摩擦增加，有用力矩減小 效率 由于沒(méi)有電刷壓降，所以效率高 中等 輸出功率 /外形尺寸之比高 由于電樞繞組設(shè)置在 與機(jī)殼相連的定子上，容易散熱。電樞產(chǎn)生的熱量消散在氣隙內(nèi)，這樣增加了氣隙溫度，從而限制了輸出功率 /外形尺寸之比 轉(zhuǎn)自慣量 低。沒(méi)有電刷 /換向器給予的機(jī)械限制 比較低，存在電刷給予的機(jī)械限制 電氣噪聲 低 電刷的電弧將對(duì)附近的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾 制造價(jià)格 比較高 低 控制 復(fù)雜和價(jià)格貴 簡(jiǎn)單和價(jià)格不貴 控制要求 為了使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必須要 有控制器，但同樣的控制器可用于變速控制 對(duì)于一個(gè)固定的速度而言，不需要控制器；有變速要求的時(shí)候才需要控制器 3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理 1．無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分析 電機(jī)本體的電樞 繞 組為三相星型連接，位 置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生控制 信號(hào)， 控制 動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔 離放大后控制逆變器的功率開(kāi)關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。 4 當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過(guò) 60電角度，到達(dá)圖 b所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使 T T2導(dǎo)通， A、 C兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng) T1流入 A相繞組，再?gòu)?C相繞組流出，經(jīng) T2回到電源負(fù)極。 轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò) 60電角度，逆變器開(kāi)關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為 T T6— T T2— T T2— T T4— T T4— T T6— T T6。 轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò) 60電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場(chǎng)的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式叫兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)，這是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最常用的一種工作方式。其他時(shí)間 段的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通情況與此類(lèi)似。然而，為了簡(jiǎn)化控制電路，每個(gè)霍爾傳感器的起始安裝位置在各自相繞組的基準(zhǔn)點(diǎn)（ r0=00）上 .那么在 r0=00的控制條件下， A相繞組開(kāi)始通電的時(shí)刻（即該相反電勢(shì)相位 30度位置）恰好與 A相位置傳感器輸出信號(hào) A的電平跳變時(shí)刻重合，此時(shí)應(yīng)將 T1開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。 本設(shè)計(jì)選用的是三相無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)，其額定電壓 UH=36V,電樞額定電流 IaH=,電 樞峰值電流 IaP ? 15A,額定轉(zhuǎn)速 nH=350r/min,額定功率PH=250W。在不同的供電電壓驅(qū)動(dòng)下，可以得到如 13圖所示 機(jī)械特性曲線(xiàn)簇 。 調(diào)節(jié)特性 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特 性如 圖 14所示。但不能通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)速，因?yàn)橛来朋w的勵(lì)磁磁場(chǎng)不可調(diào)。 圖 15 工作特性 在輸出額定轉(zhuǎn)矩時(shí) ,電機(jī)效率高、損耗低是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要特 點(diǎn)之一。自 20世紀(jì) 90年代以來(lái)，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動(dòng)化的發(fā)展，家用 電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來(lái)越趨向于高效率化、小型 化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)，無(wú)刷直流電機(jī) 的應(yīng)用也因此而迅速增長(zhǎng)。 無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；對(duì)于恒功率運(yùn)行，無(wú)刷直流電機(jī)雖然不能直接改變磁通實(shí)現(xiàn)弱磁控制，但通過(guò)控制方法的改進(jìn)也可以獲得弱磁控制的效果。目前無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，并日趨廣泛，特別是在家用電器、電動(dòng)汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用。 轉(zhuǎn)子位置傳感器是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為脆弱的部件，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)還需要占據(jù)一定的空間位置。 無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行實(shí)際上就是要求在不采用 機(jī)械傳感器的條件下，利用電機(jī)的電壓和電流信息獲得轉(zhuǎn)子磁極的位置 . 目前比較成熟的無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器 運(yùn)行方式有： 1 反電動(dòng)勢(shì)法 —— 包括直接反電動(dòng)勢(shì)法、間接反電動(dòng)勢(shì)法以及派生出來(lái)的反電動(dòng)勢(shì)積分法等。 3 續(xù)流二極管電流通路檢測(cè)法。 （ 1） 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制。減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是提高無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)性能的重要方面。 隨著信息技術(shù)和控制理論的發(fā)展，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中，一個(gè)新的發(fā)展方向就是先進(jìn)控制理論 ，尤其是智能控制理論的應(yīng)用。其中， 模糊控制是把一些具有模糊性的成熟經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則有機(jī)地融入到傳動(dòng)控制策略當(dāng)中，現(xiàn)已成功地應(yīng)用到許多方面。 10 第 2 章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 系統(tǒng) 的組成 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) (Brushless DC Motor,簡(jiǎn)稱(chēng) BLDCM)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,它是由電動(dòng)機(jī)本體、 位置檢測(cè)器、 逆變器和控制器組成的自同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)或自控式變頻同步電動(dòng)機(jī) .位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào) ,控制器對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào) ,開(kāi)關(guān)信號(hào)以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開(kāi)關(guān)器件 ,將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動(dòng)機(jī)定子各相繞組 ,使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩 . 現(xiàn)對(duì) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 各部分的基本結(jié)構(gòu) 說(shuō)明如下 。原 直流電動(dòng)機(jī) 的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器所代替。由于 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 的電機(jī)本體為永磁電機(jī)，所以 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 也稱(chēng)為永磁 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 。繞組可以接成星形 或三角形，并分別與逆變器中的各開(kāi)關(guān)管相連，三相 無(wú)刷直流 電動(dòng)機(jī) 最為常見(jiàn)。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 定子繞組的相數(shù)可以有不同的選擇，繞組的連接方式也有星形 和角型之分， 而逆變器又有半橋型和全橋型兩種。綜合以下三個(gè)指標(biāo)有助于我們做出正確的選擇： （ 1） 繞組利用率。適當(dāng)?shù)靥岣呃@組利用率 將可以使同時(shí)通電的導(dǎo)體數(shù)增加，使電阻下降，效率提高。 （ 2） 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)越??；采用橋式主電路比采用非橋式主電路的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。 相數(shù)越多，逆變器電路使用的開(kāi)關(guān)管越多，成本越高。因此，目前以星形連接三相 橋式主電路應(yīng)用最多。 位置檢測(cè)包括有位置傳感器和無(wú)位置傳感器檢測(cè)兩種方式。轉(zhuǎn)子位置傳感器的種類(lèi)包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開(kāi)關(guān)式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍，對(duì)電 機(jī)的制造工藝也帶來(lái)了不利的影響。 無(wú)機(jī)械式位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)和計(jì)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(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)法、定子三次諧波檢測(cè)法和瞬時(shí)電壓方程法等。 （ 2） 產(chǎn)生 PWM調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào)而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速。 （ 4）實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、過(guò)電壓和欠電壓等故障保護(hù)電路。在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場(chǎng)合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。這種方案可以降低設(shè)備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈活方便。產(chǎn)生 PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速 。 控制器是電動(dòng)自行車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它是電動(dòng)自行車(chē)的大腦。 目前，市場(chǎng)上常用的電動(dòng)自行車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)控制器主要采用專(zhuān)用集成電路為主控芯片，像 MOTOLORA公司研制的專(zhuān)用集成電路 MC33035，其針對(duì)無(wú)刷電機(jī)的控制要求， 將控制邏輯集成在芯片內(nèi)，一般該類(lèi)控制器稱(chēng)為模擬式控制器，其工作原理是用電子裝置代替電刷控制電機(jī)線(xiàn)圈電流換向，根據(jù)電機(jī)內(nèi)的位置傳感器 (霍爾傳感器 )信號(hào)，決定換相的順序和時(shí)間，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 本 設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作 為主控芯片，用編程的方法來(lái)模擬無(wú)刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)是使用靈活，通過(guò)修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無(wú)刷電機(jī)，增加系統(tǒng)功能方便，通常將此類(lèi)控制器稱(chēng)為數(shù)字式控制器。但是這些專(zhuān)用芯片價(jià)格昂貴，外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，在廣大的民用市場(chǎng)無(wú)法大規(guī)模推廣應(yīng)用。在有位置傳感器的控制方法中，現(xiàn)今，由于霍爾傳感器性?xún)r(jià)比高，安裝 13 方便，被廣泛應(yīng)用作為無(wú)刷直流電機(jī)的位置傳感器。但是由于無(wú)位置傳感器控制方法在低速時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的速度調(diào)制，所以現(xiàn)階段在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域只是處于研究階段，無(wú)法推廣到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng) 中 。微控制器的另一個(gè)重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號(hào)，以及隨機(jī)發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò) AD變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號(hào)。 自舉電路由分立器件構(gòu)成的，也可以采用專(zhuān)門(mén)的集成模塊 等高性能驅(qū)動(dòng)集成電路。 （ 4）周邊輔助 、 保護(hù)電路 主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過(guò)電流保護(hù)電路、調(diào)速信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)等輸入電路。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。 逆變開(kāi)關(guān)元件選擇和計(jì)算 MOSFET在 1960年由貝爾實(shí)驗(yàn)室（ Bell Lab.）的 D. Kahng和 Martin Atalla首次實(shí) 驗(yàn) 成功，這種元件的操作原理和 1947年蕭克萊（ William Shockley）等人發(fā)明的雙載子晶體管（ Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因?yàn)橹圃斐杀镜土c使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢(shì)，在大型積體電路（ LargeScale Integrated Circuits, LSI）或是超大型積體電路（ Very LargeScale Integrated Circuits, VLSI）的領(lǐng)域里，重要性遠(yuǎn)超過(guò) BJT。 16 表 31 對(duì) IGBT、 GTR、 GTO 和電力 MOSFET 的優(yōu)缺點(diǎn)的比較 器 件 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) IGBT 開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小 開(kāi)關(guān)速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及 GTO GTR 耐壓高，電流大，開(kāi)關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低 開(kāi)關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊穿問(wèn)題 GTO 電壓、電流容量大，適用于大功率場(chǎng)合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng) 電 流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流大，開(kāi)關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開(kāi)關(guān)頻率低 電 力 MOSFET 開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，不存在二次擊穿問(wèn)題 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò) 10kW 的電力電子裝置 通過(guò)上述的比較，我選擇 MOSFET。 2 / 301 Idt?? ?? ，通過(guò)計(jì)算可得 I=， 額定電壓 UH=36V，峰值電壓 應(yīng)有一個(gè)百分之 40的余量 所以 UM=UH*=36*= 通過(guò)以上計(jì)算，可得出選擇的 MOSFET峰值 電流為 25A,峰值 電壓為 50V。 (2) IR2110 主要功能及技術(shù)參數(shù) IR2110 采用 CMOS 工藝制作 ,邏輯電源電壓范圍為 5 V～ 20 V ,適應(yīng) TTL 或 CMOS 邏輯信號(hào)輸入 ,具有獨(dú)立的高端和低端 2 個(gè)輸出通道。采用 CMOS 施密特觸發(fā)輸入 ,以提高電路抗干擾能力。兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。 表 32 IR2110 工作參數(shù) 參數(shù) 最小值 / V 最大值 / V VB VS + 10 VS + 20 VS 4 500 HO VS VB VCC 10 20 LO 0 VCC VDD VCC + 4. 5 VCC + 20 VSS 5 + 5 HIN ,SD ,LIN VSS VDD 18 (3)IR2110內(nèi) 部功能如 圖 32所示： 圖 32 IR2110內(nèi)部框圖 LO （引腳 1） :低端輸出 COM（引腳 2） :公共端 Vcc（引腳 3） :低端固定電源電壓 Nc （引腳 4