1、h1第四章 无刷直流电动机及其控制系统n引言引言n有刷直流电动机的电磁关系有刷直流电动机的电磁关系n无刷直流电动机系统结构及原理无刷直流电动机系统结构及原理n无刷直流电动机的位置传感器无刷直流电动机的位置传感器n无刷直流电动机系统的功率驱动电路无刷直流电动机系统的功率驱动电路n无刷直流电动机控制系统及应用无刷直流电动机控制系统及应用内容提要内容提要h24.3 无刷直流电动机位置传感器无刷直流电动机位置传感器1、位置传感器的作用、位置传感器的作用 通过检测磁极与定子各相绕组的轴线位置，控制电机定子绕通过检测磁极与定子各相绕组的轴线位置，控制电机定子绕组的通电方向。组的通电方向。方波运行用位置传感
2、器：特征点位置信号方波运行用位置传感器：特征点位置信号 正弦波运行用位置传感器：连续位置信号正弦波运行用位置传感器：连续位置信号2、位置传感器的主要分类、位置传感器的主要分类 磁敏式磁敏式 光电式光电式 磁电式磁电式h3一、方波运行用位置传感器一、方波运行用位置传感器 （开关型位置传感器）（开关型位置传感器）检测信号为方波检测信号为方波二、正弦波运行用位置传感器二、正弦波运行用位置传感器 （跟踪型位置传感器）（跟踪型位置传感器）可以检测磁极的实时位置可以检测磁极的实时位置4.3 无刷直流电动机位置传感器无刷直流电动机位置传感器h44.3 无刷直流电动机位置传感器无刷直流电动机位置传感器4.3.
3、1 方波运行用位置传感器方波运行用位置传感器检测信号为方波，只在检测信号为方波，只在转子位置的某些特征点转子位置的某些特征点产生跃变，经过简单的产生跃变，经过简单的逻辑变换就可以很方便逻辑变换就可以很方便地产生绕组电流导通逻地产生绕组电流导通逻辑信号（功率开关控制辑信号（功率开关控制信号）信号）单相通电方式位置信号单相通电方式位置信号h54.3 无刷直流电动机的位置传感器无刷直流电动机的位置传感器4.3.1 方波运行用位置传感器方波运行用位置传感器1.开关式霍尔传感器开关式霍尔传感器2.红外光断续传感器红外光断续传感器h61）概述：）概述：霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，得到霍尔元件是一
4、种基于霍尔效应的磁传感器，得到广泛的应用。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁广泛的应用。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。基础。2）特点：）特点：霍尔器件具有许多优点：结构牢固，体积小，重霍尔器件具有许多优点：结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。1、开关式霍尔传感器、开关式霍尔传感器h73）霍尔元件霍尔元件 金属或半导体薄片置于磁场中，
5、当有电流金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。电动势，这种物理现象称为霍尔效应。h8霍尔元件的组成：霍尔元件的组成：由霍尔片、四根引线和壳体组成，由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。如下图示。3）霍尔元件霍尔元件 h93）霍尔元件霍尔元件 几种典型结构几种典型结构 h104）测量原理）测量原理 罚担罚 h115）产生位置信号的原理）产生位置信号的原理开关式霍尔传感器开关式霍尔传感器h124.3 无刷直流电动机的位置传感器无刷直流电动机的位置传感器2.2.红外光断续传感器红外光断续
6、传感器4.3.1 方波运行方波运行h131）光电二极管）光电二极管n工作原理与电池相似，利用光子引起的电子跃迁将光信号工作原理与电池相似，利用光子引起的电子跃迁将光信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。转变成电信号，光生电流与光强成正比。n光敏二极管的结构与一般二极管相似。光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外它装在透明玻璃外壳中壳中,其其PN结装在管的顶部结装在管的顶部,可以直接受到光的照射。可以直接受到光的照射。将光敏二极管的将光敏二极管的PN PN 结结设置在透明管壳顶部设置在透明管壳顶部的正下方的正下方h14工作原理工作原理n光照射在光照射在PN结上；结上；n无光照时无光
7、照时,反向电阻很大反向电阻很大,反向电流很小（暗电流）。反向电流很小（暗电流）。n光照射光照射PN结时结时,光子打在光子打在PN结附近结附近,使使PN结附近产生光结附近产生光生电子和空穴对。它们在生电子和空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向结处的内电场作用下作定向运动运动,形成光电流。光的照度越大形成光电流。光的照度越大,光电流越大。光电流越大。n光敏二极管在不受光照射时光敏二极管在不受光照射时,处于截止状态处于截止状态,受光照射时受光照射时,处于导通状态。处于导通状态。光光h152）光电三极管）光电三极管n光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电三极管比具有相同有效面积的光电二极
8、管的光电流大几十至几百倍，但响应速度较二极管差。光电流大几十至几百倍，但响应速度较二极管差。n工作原理工作原理（1）光电转换）光电转换（2）电流放大）电流放大h16工作原理工作原理n光敏晶体管与一般晶体管很相似光敏晶体管与一般晶体管很相似,具有两个具有两个PNPN结结,只是它的只是它的基区一边做得很大基区一边做得很大,以扩大光的照射面积。以扩大光的照射面积。n当光照射在集电结上时当光照射在集电结上时,就会在结附近产生电子就会在结附近产生电子-空穴对空穴对,从从而形成光电流而形成光电流,相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增加加,因此集电极电流是光生电流
9、的因此集电极电流是光生电流的倍倍,所以光敏晶体管有所以光敏晶体管有放大作用。放大作用。h17n光敏三极管有两个光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。二极管相似，从外观上很难区别。2）光电三极管）光电三极管h184.3.2 正弦波运行用位置传感器正弦波运行用位置传感器h19一、旋转变压器一、旋转变压器tVVms sin tKVKV
10、VmsB sinsinsin h20旋转变压器的工作波形旋转变压器的工作波形一、旋转变压器一、旋转变压器h213.旋转变压器的种类旋转变压器的种类tpuutpuummsincossinsin21两相旋转变压器的输出电压两相旋转变压器的输出电压三相旋转变压器的输出电压三相旋转变压器的输出电压tpuutpuutpuummmsin)120sin(sin)120sin(sinsin03021一、旋转变压器一、旋转变压器h22一、旋转变压器一、旋转变压器h234.旋转变压器的专用数字芯片旋转变压器的专用数字芯片n作用作用 将旋转变压器输出的模拟量信号转化为数字信号将旋转变压器输出的模拟量信号转化为数字信
11、号n型号：型号：AD2S80A一、旋转变压器一、旋转变压器h24AD2S80A内部结构图内部结构图h25AD2S80A连接图连接图h26 脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，能将机械转角变换成电脉冲。能将机械转角变换成电脉冲。易于与数字电路接口易于与数字电路接口 成本低廉成本低廉 体积小，安装方便体积小，安装方便h271.编码器（脉冲编码器）分类编码器（脉冲编码器）分类脉冲编码器的分类脉冲编码器的分类增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器绝对式脉冲编码盘绝对式脉冲编码盘光电式光电式接触式接触式电磁感应式电磁感应式光电式光电式接触式接触式电磁感应式电磁感应式h2
12、81.编码器（脉冲编码器）分类编码器（脉冲编码器）分类光电编码器光电编码器原理：原理：一种角度（角速度）检测装置，它将输入一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，电脉冲或数字量，优点：优点：体积小，精度高，工作可靠体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等接口数字化等应用：应用：广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中装置和设备中 h29光电式脉冲编码器光电式脉冲编码器 数
13、字显示 信号处理电路 光电盘 圆盘 光电元件 聚光镜 光源 2.编码器的结构编码器的结构h302.编码器的结构编码器的结构 接触式接触式h31板板路路电电刷刷印印光光源源园园光光栅栅指指示示光光栅栅光光电电元元件件低低坐坐护护罩罩旋旋转转轴轴A AA A向向结结构构图图h32 指示光栅有两组线纹指示光栅有两组线纹A和和B，每组线纹，每组线纹的节距和圆光栅的节距相同，但的节距和圆光栅的节距相同，但A、B两组两组线纹彼此错开线纹彼此错开1/4个节距，每组线纹与旋转个节距，每组线纹与旋转圆光栅配合产生两路脉冲圆光栅配合产生两路脉冲A和和B用于记数和用于记数和辩向。辩向。h33光线透过两个光栅的光线透
14、过两个光栅的A,B两组线纹，便在光两组线纹，便在光电元件上形成明电元件上形成明暗暗明变化一个周期的光信明变化一个周期的光信号，并被转化为两组近号，并被转化为两组近乎于正弦波的电压信号，乎于正弦波的电压信号，连续旋转便得到连续旋转便得到A和和B两路正弦电压信号。两路正弦电压信号。经经过放大、整形后得到所过放大、整形后得到所示的方波信号示的方波信号A和和Bo oU UA AB B9 90 0A A相相B B相相9 90 0o o5 5v v0 0v v5 5v v0 0v v脉冲编码的输出信号脉冲编码的输出信号5v0vZh34o oU UA AB B9 90 0A A相相B B相相9 90 0o
15、o5 5v v0 0v v5 5v v0 0v v脉冲编码的输出信号脉冲编码的输出信号鉴相：鉴相：如光栅盘正转时如光栅盘正转时A相超前相超前90o，反转时，反转时B相超前相超前90o。基准：基准：另外还产生一脉另外还产生一脉冲冲Z，Z为基准脉冲，为基准脉冲，或称零点脉冲，它是圆或称零点脉冲，它是圆光栅盘，可以作为坐标光栅盘，可以作为坐标原点的信号。原点的信号。5v0vZh35是一种绝对角度位置检测装是一种绝对角度位置检测装置，它的位置输出信号是某种制式的数码信号，它置，它的位置输出信号是某种制式的数码信号，它表示位移后所达到的绝对位置，要用起点和终点的表示位移后所达到的绝对位置，要用起点和终点
16、的绝对位置的数码信号，经运算后才能得到位移量的绝对位置的数码信号，经运算后才能得到位移量的大小。大小。u特点特点 电源切除后位置信息不会丢失，只要通电就能显电源切除后位置信息不会丢失，只要通电就能显示出所在的绝对位置信号，因此在事故停机检修后，示出所在的绝对位置信号，因此在事故停机检修后，可以根据加工程序章上标明的停机时的绝对位置，或可以根据加工程序章上标明的停机时的绝对位置，或停机时记录下来的绝对位置，用绝对位移指令直接找停机时记录下来的绝对位置，用绝对位移指令直接找回原机位置进行继续加工。回原机位置进行继续加工。h36绝对式编码器实物照片绝对式编码器实物照片h370123 45678910
17、1112131415(2)0(2)1(2)2(2)3(a)0123456789101112131415(2)0(2)1(2)2(2)3输输出出二二进进制制编编码码盘盘葛葛莱莱编编码码盘盘(b)绝绝对对式式脉脉冲冲编编码码盘盘A图为二进制数码，图为二进制数码，B图为葛莱循环码图为葛莱循环码h38 码盘上有许多同心圆环，称为码道，整个圆码盘上有许多同心圆环，称为码道，整个圆盘又分为若干个等分的扇形区段，每一相同的扇盘又分为若干个等分的扇形区段，每一相同的扇形区段的码道组成一个数码，着色的码道为形区段的码道组成一个数码，着色的码道为“1”，未着色的码道为未着色的码道为“0”，内环码道为数码的高位。，
18、内环码道为数码的高位。在圆盘的同一半径方向的每个码道处，如图的在圆盘的同一半径方向的每个码道处，如图的圆点所示，安装一个光电元件，光源装在圆盘的另圆点所示，安装一个光电元件，光源装在圆盘的另一侧，码盘转动，每一扇形区段的光信号通过光电一侧，码盘转动，每一扇形区段的光信号通过光电元件转换成数码脉冲信号。元件转换成数码脉冲信号。1）二进制数码二进制数码h39图中图中二进制二进制的数码的数码1100的位置就是从的位置就是从0位算起的第位算起的第12个角个角度度绝对坐标位置绝对坐标位置，换算成角度是换算成角度是（360/16）x12=270的位置（编码盘分的位置（编码盘分为为16个区段）。个区段）。0
19、123 456789101112131415(2)0(2)1(2)2(2)3二进制编码盘二进制编码盘绝对式脉冲编码器绝对式脉冲编码器h40达到6位绝对式脉冲编码器绝对式脉冲编码器h41 葛莱码的特点是葛莱码的特点是任意相邻的两个二进制数之任意相邻的两个二进制数之间只有一位是不同间只有一位是不同的，最末一个数与第一个数也的，最末一个数与第一个数也是如此，这样，就形成了循环，使整个循环里的是如此，这样，就形成了循环，使整个循环里的相邻数之间都遵循这一规律。要生成葛莱码，可相邻数之间都遵循这一规律。要生成葛莱码，可参考下图所示的方法。其中的行和列分别为三位参考下图所示的方法。其中的行和列分别为三位和
20、二位葛莱码，结合可生成五位葛莱码。和二位葛莱码，结合可生成五位葛莱码。2）葛莱码葛莱码h422）葛莱码葛莱码h43 纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数可能有多位二纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增大了误进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增大了误读的机率。读的机率。葛莱码相邻两个二进制数码葛莱码相邻两个二进制数码只有一个数位不同只有一个数位不同，因此两数切，因此两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。0123 456789101112131415012345678910111
21、2131415二进制编码盘二进制编码盘葛莱编码盘葛莱编码盘多多位位二二进进码码不不同同 3）两种编码的可靠性的比较两种编码的可靠性的比较:h44（3）混合式光电编码器）混合式光电编码器高位为绝对式编码，低位为脉冲式编码高位为绝对式编码，低位为脉冲式编码在解决初始零位的同时，降低成本在解决初始零位的同时，降低成本h454.4 无刷直流电动机的功率驱动电路无刷直流电动机的功率驱动电路 作用：控制功率回路的通断，在定子绕组作用：控制功率回路的通断，在定子绕组中产生所需的电流。中产生所需的电流。n典型的功率电路拓扑典型的功率电路拓扑n全控型电力电子器件简介全控型电力电子器件简介n电力电子器件的驱动技术
22、电力电子器件的驱动技术h464.4.1 典型的功率驱动电路拓扑典型的功率驱动电路拓扑1.不可逆电路拓扑不可逆电路拓扑 三相结构三相结构 四相结构四相结构 h474.4.1 典型的功率驱动电路拓扑典型的功率驱动电路拓扑2.可逆电路拓扑可逆电路拓扑 两相全桥结构两相全桥结构 三相半桥结构三相半桥结构 h484.4.2 全控型电力电子器件简介全控型电力电子器件简介常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块h494.4.3 电力电子器件的驱动技术电力电子器件的驱动技术1 应用电力电子器件系统组成应用电力电子器件系统组成2 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述
23、3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路h50电力电子系统电力电子系统：由由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路 和以电力电子器件为核心的和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成组成。电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行1.应用电力电子器件系统组成应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路h51（1）电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述使电力电子器件工作在较理想的开关状态，使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短缩短开、关时开、关时间
24、，减小开关损耗。间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。按控制目标的要求施加开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。制信号。驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口h52（1）电力电子器件驱动电
25、路概述电力电子器件驱动电路概述 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离电气隔离环节，环节，一般采用光隔离或磁隔离。一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器光隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是磁隔离的元件通常是脉冲变压器脉冲变压器ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1光耦合器的类型及接法a)普通型 b)高速型 c)高传输比型h53（1）电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述v按照驱动信号的性质分，可分为按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型电流驱动型和和电压驱电压驱动型动型。v驱动电路具体形式可为驱动电路具体
26、形式可为分立元件分立元件的，但目前的趋势是的，但目前的趋势是采用采用专用集成驱动电路专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。的集成驱动电路。分类分类h54（2）典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路GTOGTO的开通控制开通控制与普通晶闸管相似。GTO关断控制关断控制需施加负门极电流。GTO门极电压电流波形OttOuGiG1)电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路正的
27、门极电流5V的负偏压 GTO驱动电路通常包括开通驱动电路开通驱动电路、关断驱关断驱动电路动电路和门极反偏电路门极反偏电路三部分，可分为脉冲变脉冲变压器耦合式压器耦合式和直接耦合直接耦合式式两种类型。h55（2）典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。典型的直接耦合式GTO驱动电路h56（2）典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路开通驱动电流应使开通驱动电流
28、应使GTR处于准饱处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。和深饱和区。关断关断GTR时，施加一定的负基极时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断电流有利于减小关断时间和关断损耗。损耗。关断后同样应在基射极之间施加关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（一定幅值（6V左右）的负偏压。左右）的负偏压。tOib 理想的GTR基极驱动电流波形GTRh57（2）典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。两部分。VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2V
29、D3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2GTR的一种驱动电路驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。h58（2）典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路电力电力MOSFET和和IGBT是电压驱动型器件。是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使使MOSFET开通的驱动电压一般开通的驱动电压一般1015V，使，使IGBT开开通的驱动电压一般通的驱动电压一般15 20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取
30、-5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。2)电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路h59（2）典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路a)电力电力MOSFET的一种驱动电路：的一种驱动电路：电气隔离电气隔离和和晶体管放大电路晶体管放大电路两部分两部分电力MOSFET的一种驱动电路 专为驱动电力专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流
31、为，输出最大脉冲电流为+2A和和-3A，输出驱动电压，输出驱动电压+15V和和-10V。h60（2）典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路b)IGBT的驱动的驱动M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和 M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。多采用专用的混合集成驱动器。h61小结小结n 位置传感器的种类及原理位置传感器的种类及原理n“方波运行方波运行”和和“正弦波运行正弦波运行”采用的位置采用的位置传感器的不同传感器的不同n 典型的功率驱动电路拓扑典型的功率驱动电路拓扑n 功率驱动电路的作用功率驱动电路的作用
