直流无刷电机与控制器的工作原理

直流无刷电机与控制器的工作原理 序言 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经 济的各个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电动机、异步电动机和 直流电动机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而 存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点， 再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前 工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。 针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪 30 年代就有人开始研制以电 子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力，直至上世纪 60 年代初终于实现了这一愿望。上世纪 70 年代以来，随着电力电子工业的飞 速发展，许多高性能半导体功率器件，如 GTR、MOSFET、IGBT、IPM 等相继 出现，以及高性能永磁材料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实 的基础。 由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等 一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸 多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。 三相直流无刷电动机的基本组成 直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分 组成。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等)，转子由永久磁钢按一 定极对数(2p=2,4,…)组成。图 1 所示为三相两极直流无刷电机结构， 图 1 三相两极直流无刷电机组成 三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结，A、B、C 相绕组分别与功率开关管 V1、V2、V3 相接。位置传感器的跟踪转子与电动机 转轴相联结。 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相 互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信 号，去控制电子开关线路，从而使定子各项绕组按一定次序导通，定子相电流随 转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转 角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 图 2 为三相直流无刷电动机半控桥电路原理图。此处采用光电器件作为位 置传感器，以三只功率晶体管 V1、V2 和 V3 构成功率逻辑单元。 图 2 三相直流无刷电动机 三只光电器件 VP1、VP2 和 VP3 的安装位置各相差 120 度，均匀分布在 电动机一端。借助安装在电动机轴上的旋转遮光板的作用，使从光源射来的光线 一次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子 磁极的位置。 图 3 开关顺序及定子磁场旋转示意图 图 2 所示的转子位置和图 3 a)所示的位置相对应。由于此时广电器件 VP1 被光照射，从而使功率晶体 V1 呈导通状态，电流流入绕组 A-A’，该绕组电流 同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按图 3 中箭头方向转动。当转子 磁极转到图 3 b)所示的位置时，直接装在转子轴上的旋转遮光板亦跟着同步转 动，并遮住 VP1 而使 VP2 受光照射，从而使晶体管 V1 截至，晶体管 V2 导通， 电流从绕组 A-A’断开而流入绕组 B-B’，使得转子磁极继续朝箭头方向转动。当 转子磁极转到图 3 c)所示的位置时，此时旋转遮光板已经遮住 VP2，使 VP3 被 光照射，导致晶体管 V2 截至、晶体管 V3 导通，因而电流流入绕组 C-C’，于是 驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转并回到图 3 a)的位置。 这样，随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器 VP1、 VP2、VP3 的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。在 换相过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种旋 转磁场在 360 度电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续 120 度电角度。 各相绕组电流与电动机转子磁场的相互关系如图 3 所示。图 3a)为第一种状态， Fa 为绕组 A-A’通电后所产生的磁动势。显然，绕组电流与转子磁场的相互作用， 使转子沿顺时针方向旋转；转过 120 度电角度后，便进入第二状态，这时绕组 A-A’断电，而 B-B’随之通电，即定子绕组所产生的磁场转过了 120 度，如图 3 b)所示，电动机定子继续沿顺时针方向旋转；再转 120 度电角度，便进入第三 状态，这时绕组 B-B’断电，C-C’通电，定子绕组所产生的磁场又转过了 120 度 电角度，如图 3 c)所示；它继续驱动转子沿顺时针方向转过 120 度电角度后就 恢复到初始状态。 图 4 示出了各相绕组的导通顺序的示意图。 图 4 各相绕组的导通示意图 位置传感器 位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关 电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去 控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常 见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位 置接近传感器。 电磁式位置传感器在直流无刷电动机中，用得较多的是开口变压器。用于三 相直流无刷电动机的开口变压器由定子和跟踪转子两部分组成。定子一般有六个 极，它们之间的间隔分别为 60 度，其中三个极上绕一次绕组，并相互串联后通 以高频电源，另外三个极分别绕上二次绕组 WA、WB、WC。它们之间分别相 隔 120 度。跟踪转子是一个用非导磁材料做成的圆柱体，并在它上面镶一块 120 度的扇形导磁材料。在安装时将它与电动机转轴相联，其位置对应于某一磁极。 一次绕组所产生的高频磁通通过跟踪转子上的到此材料耦合到二次绕组上，故在 二次绕组上产生感应电压，而另外两相二次绕组由于无耦合回路同一次绕组相 联，其感应电压基本为零。随着电动机转子的转动，扇形片也跟着旋转，使之离 开当前耦合一次绕组而向下一个一次绕组靠近。就这样，随着电动机转子运动， 在开口变压器二次绕组上分别感应出电压。扇形导磁片的角度一般略大于 120 度电角度，常采用 130 度电角度左右。在三相全控电路中，为了换相译码器的 需要，扇形导磁片的角度为 180 度电角度。同时，扇形导磁片的个数应同直流 无刷电动机的极对数相等。 接近开关式位置传感器主要由谐振电路及扇形金属转子两部分组成，当扇形 金属转子接近震 荡回路电感 L 时，使该电路的 Q 值下降，导致电路正反馈不足 而停振，故输出为零。扇形金属转子离开电感元件 L 时，电路的 Q 值开始上升， 电路又重新起振，输出高频调制信号，经二极管检波后，取出有用控制信号，去 控制逻辑开关电路，以保证电动机正确换向。 光电式位置传感器前面已经讲过，是利用光电效应制成的，由跟随电动机转 子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。 磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导 体敏感元件。其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。常见的磁敏传感器有霍尔元件 或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。 研究结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，在半导体薄片上产生的霍尔电动势 E 可用下式表示： 式中 RH ——霍尔系数( )； IH——控制电流(A)； B——磁感应强度(T)； d——薄片厚度(m)； p——材料电阻率(Ω*s)； u——材料迁移率( )； 若在上式中各常数用KH表示，则有 E=KHIHB 霍尔元件产生的电动势很低，直接应用很不方便，实际应用时采用霍尔集成 电路。霍尔元件输出电压的极性随磁场方向的变化而变化，直流无刷电动机的位 置传感器选用开关型霍尔集成电路。 磁阻效应是指元件的电阻值随磁感应强度而变化，根据磁阻效应制成的传感 器叫磁阻电阻。 三相直流无刷电动机的运行特性 要十分精确地分析直流无刷电动机的运行特性，是很困难的。一般工程应用 中均作如下假定： (1) 电动机的气隙磁感应强度沿气隙按正弦分布。 (2) 绕组通电时，该电流所产生的磁通对气隙所产生的影响忽略不计。 (3) 控制电路在开关状态下工作，功率晶体管压降 为恒值。 (4) 各绕组对称，其对应的电路完全一致，相应的电气时间常数忽略不 计。 (5) 位置传感器等控制电路的功耗忽略不计。 由于假设转子磁钢所产生的磁感应强度在电动机气隙中是按正弦规律分布 的，即B=BMsinθ 。这样，如果定子某一相绕组中通一持续的直流电流，所产 生的转矩为 TM=ZDLBMrIsinθ 式中， ZD——每相绕组的有效导体数； L——绕组中导线的有效长度，即磁钢长度； r——电动机中气隙半径； I——绕组相电流。 就是说某一相通以不变的直流后，它和转子磁场作用所产生的转矩也将随转 子位置的不同而按正弦规律变化，如图 5 所示。 图 5 在恒定电流下的单相转矩 它对外负载讲，所得的电动机的平均转矩为零。但在直流无刷电动机三相半 控电路的工作情况下，每相绕组中通过 1/3 周期的矩形波电流。该电流和转子 磁场作用所产生的转矩也只是正弦转矩曲线上相当于 1/3 周期的一段，且这一 段曲线与绕组开始通电时的转子相对位置有关。显然在图 6 a 所示的瞬间导通晶 体管，则可产生最大的平均转矩。因为在这种情况下，绕组通电 120 度的时间 里，载流导体正好处在比较强的气隙磁场中。所以它所产生的转动脉动最小，平 均值较大。习惯上把这一点选作晶体管开始导通的基准点，定为 。在 =0 度的情况下，电动机三相绕组轮流通电时所产生的总转矩如图 6b 所示。 图 6 三相直流无刷电动机半空桥转矩 如若晶体管的导通时间提前或滞后，则均将导致转矩的脉动值增加，平均值 减小。当 =30 度时，电动机的瞬时转矩过零点，这就是说，当转子转到某几 个位置时，电动机产生的转矩为零，电动机起动时会产生死点。当 ≥30 度后， 电动机转矩的瞬时值将出现负值，则总输出转矩的平均值更小。因此，在三相半 控的情况下，特别是在起动时， 不宜大于 30 度，而在直流无刷电动机正常运 行时，总是尽力把 角调整到 0 度，使电动机产生的平均转矩最大。当 =0 度时，可以求得输出转矩的平均值 ： 电动机在电动转矩的作用下转动后，旋转的转子磁场就要切割定子绕 组，在各相绕组上感生出电动势，当其转速 n 不变时，该电动势波形也是正弦 波，相位同转矩相位一致。在本电路中，每相绕组在一个周期中只通电 ，因此 仅在这 期间对外加电压起作用。所以对外加电压而言，感生电动势波形如图 7 所示。 图 7 三相直流无刷电动机半控电路的反电动势 同理可按下式求得感生电动势的平均值 ： 从上面的平均转矩和平均反电动势，便可求得直流无刷电动机稳定运行时的 电压平衡方程式，为此首先定义反电动势系数和转矩系数： 对于某个具体的电动机，它们为常数。当然，其大小同主回路的接法以及功 率晶体管的换相方式有关。 直流无刷电动机三相半控桥的电压平衡方程组为： 其中， ， ，将其代入上式整理后，可得其机械特性方程为 式中 n——电动机转速(r/min )； U——电源电压(V)； △U—— 功率管管压降(V)； Kc——电动势系数； Ta——电动机产生的电动转矩平均值(N•m)； KT——转矩系数； R——电动机的内阻(Ω)。 在三相半控电路中，其转矩的波动在TM 到TM/2 之间，这是直流无刷电动 机不利的一面。 三相直流无刷电动机的应用 三相半控电路 常见的三相半控电路如图 8 所示，图中 LA、LB、LC 为电动机定子 A、B、 C 三相绕组，VF1、VF2、VF3 为三只 MOSFET 功率管，主要起开关作用。H1、 H2、H3 为来自转子位置传感器的信号。如前所述，在三相半控电路中，要求位 置传感器的输出信号 1/3 周期为高电平，2/3 周期为低电平，并要求各传感器 信号之间的相位也是 1/3 周期。 图 8 三相半控桥电路 和一般电动机一样，在电动机起动时，由于其转速很低，故转子磁通切割定 子绕组所产生的反电动势很小，因而可能产生过大电流I。为此，通常需要附加 限流电路，图 9 为常见的一种，图中的电压比较器，主要用来限制主回路电流， 当通过电动机绕组的电流I在反锁电阻Rf上的压降IRf大于某给定电压U0 时，比 较器输出低电平，同时关断了VF1、VF2、VF3 三只功率场效应晶体管，即切 断了主电路。当IRf《U0 时，比较器不起任何作用。当IRf〈U0 时，比较器输 出高电平，这时它不起任何作用。I0=U0/Rf 就是所要限制的电流最大值，其大 小视具体要求而定。一般取额定电流的 2 倍左右。 Administrator 高亮 Administrator 高亮 图 9 起动电流的限制 三相 Y 联结电路 三相半控电路结构简单，但电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电 1/3 周期，没有得到充分的利用，而且在运行中转矩波动较大。在要求较高的场合， 一般均采用如图 10 所示的三相全控电路。三相全控电路有两两换相和三三换相 两种方式 图 10 三相全控电路 在该电路中，电动机的三相绕组为Y联结。如采用两两通电方式，当电流从 功率管VF1 和VF2 导通时，电流从VF1 流入A相绕组，再从C相绕组经VF2 流回 到电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组所产生的转矩 为负，他们合成的转矩大小为 ，方向在Ta和-Tc角平分线上。当电动机 转过 60 度后，由VF1VF2 通电换成VF2VF3 通电。这时，电流从VF3 流入B相 绕组，再从C相绕组流出经VF2 回到电源，此时合成的转矩大小同样为 。 但合成转矩T的方向转过了 60 度电角度。而后每次换相一个功率管，合成转矩 矢量方向就随着转过 60 度电角度。所以，采用三相Y联结全控电路两两换相方 式，合成转矩增加了 倍。每隔 60 度电角度换相一次，每个功率管通电 120 度，每个绕组通电 240 度，其中正向通电和反向通电各 120 度。其输出转矩波 形如图 11 所示。从图中可以看出，三相全控室的转矩波动比三相半控时小，从 0.87Tm到Tm 。 图 11 全控桥输出波形图 三三通电方式，这种通电的顺序为 VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、 VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3。当 VF6VF1VF2 导 通时，电流从 VF1 管流入 A 相绕组，经 B 和 C 相绕组分别从 VF6 和 VF2 流出。 经过 60 度电角度后，换相到 VF1VF2VF3 通电，这时电流分别从 VF1 和 VF3 流入，经 A 和 B 相绕组再流入 C 相绕组，经 VF2 流出。在这种通电方式里，每 瞬间均有三个功率管通电。每隔 60 度换相一次，每次有一个功率管换相，每个 功率管通电 180 度。合成转矩为 1.5Ta. 三相 Δ联结电路也可以分为两两通电和三三通电两种控制方式。 两两通电方式的通电顺序是 VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、 VF5VF6、VF6VF1、VF1VF2，当 VF1VF2 导通时，电流从 VF1 流入，分别通 过 A 相绕组和 B、C 两相绕组，再从 VF2 流出。这时绕组的联结是 B、C 两相 绕组串联后再通 A 相绕组并联，如果假定流过 A 相绕组的电流为 I，则流过 B、 C 相绕组的电流分别为 I/2。这里的合成转矩为 A 相转矩的 1.5 倍。 三三通电方式的顺序是 VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、 VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3，当 VF6VF1VF2 通 电时，电流从 VF1 管流入，同时经 A 和 B 相绕组，再分别从 VF6 和 VF2 管流 出，C 相绕组则没有电流通过，这时相当于 A、B 两相绕组并联。这时相当于 A、 B 两绕组并联，合成转矩为 A 相转矩的 倍。 直流无刷电动机的微机控制 图 12 示出采用 8751 单片机来控制直流无刷电动机的原理框图。8751 的 P1 口同 7406 反相器联结控制直流无刷电动机的换相，P2 口用于测量来自于位 置传感器的信号 H1、H2、H3，P0 口外接一个数模转换器。 图 12 直流无刷电动机计算机控制原理图 换相的控制 根据定子绕组的换相方式，首先找出三个转子磁钢位置传感器信号 H1、H2、 H3 的状态，与 6 只功率管之间的关系，以表格形式放在单片机的 EEPROM 中。 8751 根据来自 H1、H2、H3 的状态，可以找到相对应的导通的功率管，并通 过 P1 口送出，即可实现直流无刷电动机的换相。 起动电流的限制 主回路中串入电阻 R13，因此 Uf=R13*IM，其大小正比于电动机的电流 IM。而 Uf 和数模转换器的输出电压 U0 分别送到 LM324 运算放大器的两个输 入端，一但反馈电压大于 Uf 大于来自数模转换的给定信号 U0，则 LM324 输出 低电平，使主回路中 3 只功率管 VF4、VF6、VF2 不能导通，从而截断直流无 刷电动机定子绕组的所有电流通路，迫使电动机电流下降，一旦电流下降到使 Uf 小于 U0，则 LM324 输出回到高电平。主回路又具备导通能力，起到了限制 电流的作用。 转速的控制 在直流无刷电动机正常运行的过程中，只要通过控制数模转换器的输出电压 U0，就可控制直流无刷电动机的电流，进而控制电动机的电流。即 8751 单片 机通过传感器信号的周期，计算出电动机的转速，并把它同给定转速比较，如高 于给定转速，则减小 P2 口的输出数值，降低电动机电流，达到降低其转速的目 的。反之，则增大 P2 口的输出数值，进而增大电动机的转速。 PWM 控制的实现 转速控制也可以通过 PWM 方式来实现。图 13 和图 14 为 PWM 控制实现 直流无刷电动机转速的控制。 图 13 PWM 控制原理图 图 14 PWM 控制原理图 直流无刷电动机的正转反转，通过改变换相次序来改变其转动方向。具体做 法只需要更换一下换相控制表。 变结构控制的实现 当直流无刷电动机处于起动状态或在调整过程中，采用直流无刷电动机的运 行模式，以实现动态相应的快速性，一旦电动机的转速到了给定值附近，马上把 它转入同步电动机运行模式，以保证其稳速精度。这时计算机只需要按一定频率 控制电动机的换相，与此同时，计算机在通过位置传感器的信号周期，来测量其 转速大小，并判断它是否跌出同步。一旦失布，则马上转到直流无刷电动机运行， 并重新将其拉入同步。 图 15 直流无刷电动机的变结构控制