1、无刷直流电动机控制系统无刷直流电动机控制系统第 5 篇无刷直流电动机控制系统技术第1页，共65页。内容提要内容提要无刷直流电动机的组成结构和工作原无刷直流电动机的组成结构和工作原理理 无刷直流电动机的基本公式和数学无刷直流电动机的基本公式和数学模型模型无刷直流电动机的转矩的波动无刷直流电动机的转矩的波动 无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制无位置传感器的无刷直流电动机的驱无位置传感器的无刷直流电动机的驱动控制动控制 无刷直流电动机驱动控制的专用芯片无刷直流电动机驱动控制的专用芯片介绍介绍无刷直流电动机控制系统技术第2页，共65页。无刷直流电动机的结构特点无刷直流电动机的结构特点 无
2、刷直流电动机的转子位置传感器无刷直流电动机的转子位置传感器 直流无刷电动机的换向原理直流无刷电动机的换向原理 第一节第一节 无刷直流电动机的组成结构和工作原理无刷直流电动机的组成结构和工作原理 无刷直流电动机控制系统技术第3页，共65页。无刷直流电动机和一般的永磁有刷直流电动机相比，在结构上有很多相近或相似之处，用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，用具有三相绕组的定子取代电枢，用逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器取代有刷直流电动机的机械换向器和电刷，就得到了三相永磁无刷直流电动机。无刷直流电动机控制系统技术第4页，共65页。无刷直流电动机属于三相永磁同步电动机的范畴，永磁同步电
3、动机的磁场来自电动机转子上的永久磁铁，永久磁铁的特性在很大程度上决定了电动机的特性，目前采用的永磁材料主要有铁淦氧、铝钴镍以及SmCO5和Sm2CO17。图5-1对比了现用的几种永久磁铁的磁特性。由图可知，铝镍钴永磁合金的磁场强度H值范围很小。铁淦氧磁铁磁感应强度B与磁场强度H小范围成线性关系，线性关系最大的是钕铁硼合金，这种合金称为第三代稀土永磁合金。无刷直流电动机控制系统技术第5页，共65页。无刷直流电动机的结构特点无刷直流电动机的结构特点无刷直流电动机控制系统技术第6页，共65页。在转子上安装永久磁铁的方式有两种。一种是将成形永久磁铁装在转子表面，既所谓外装式；另一种是将成形永久磁铁埋入
4、转子里面，既所谓的内装式，如图5-2所示。根据永久磁铁安装在转子上的方法的不同，永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种，从而有图5-3所示的永久磁铁转子的不同结构。无刷直流电动机控制系统技术第7页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第8页，共65页。扇形磁铁构造的转子具有电枢电感小，齿槽效应转矩小的优点。但易受电枢反应的影响，又由于磁通不可能集中，气隙磁密度低，电极呈现凸极特性。矩形磁铁构造的转子呈现凸极特性，电枢电感大，齿槽效应转矩大。但磁通可集中，形成高磁通密度，适用于大容量电动机。由于电动机呈现凸极特性，可利用磁阻转矩。这种转子结构的永久磁铁也不容易飞出，适用于较高高速运转。无刷直流电动机
5、控制系统技术第9页，共65页。根据确定的转子结构所对应的每相励磁磁动势分布的不同，三相永磁同步电动机可分为两种类型：正弦波型和方波型永磁同步电动机，前者每相励磁磁动势分布是正弦波状，后者每相励磁磁动势分布呈方波状。无刷直流电动机控制系统技术第10页，共65页。永磁同步电动机的控制系统属于自控式变频系统，电动机的换向状态是有转子的位置决定的，电动机的控制频率是由转子的运行速度决定的，这就需要转子的位置检测器。转子的位置检测器有很多种，正弦波永磁同步电动机一般采用旋转变压器、绝对式光电脉冲编码器或增量式光电脉冲编码器作为位置检测元件，而在永磁无刷直流电动机（方波电动机）中，一般采用简易型的位置检测
6、器，该器件不能用来检测转子的精确位置。无刷直流电动机的转子位置传感器无刷直流电动机的转子位置传感器 无刷直流电动机控制系统技术第11页，共65页。位置传感器是无刷直流电动机系统的组成部分之一，也是区别于有刷直流电动机的主要标志。其作用是检测主转子在运动过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子的位置变化按次序换相，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断的旋转。位置传感器有很多种，霍尔位置传感器是目前应用最广泛的。无刷直流电动机控制系统技术第12页，共65页。霍尔传感器按其功能和应用可分
7、为线性型、开关型、锁定型三种。（1）线性型 线性型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、输出级等部分组成，为变化的磁感应强度，得到与磁感应强度成线性关系的输出电压。可用于磁场测量、电流测量、电压测量等。（2）开关型 开关型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等部分组成。输入为磁感应强度，输出为开关信号。直流无刷电动机的转子位置检测器属于开关型的传感器。无刷直流电动机控制系统技术第13页，共65页。直流无刷电动机位置传感器分为位置传感器定子和位置传感器转子。一个指示转子的位置，一个检测转子的位置。霍尔位置传感器必须满足以下两个条件：1）位置传感器在一个电周期内所
8、产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度应相等。2）位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。无刷直流电动机控制系统技术第14页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第15页，共65页。图5-4表明，无刷直流电动机转子位置传感器输出信号HA、HB、HC在每360度电角度内按顺序给出六个代码，101、100、110、010、011、001。顺序与正反转有关。图5-5是无刷直流电动机的电子换向器主回路，有六只功率开关元件组成的三相H形桥式逆变电路。图5-6是无刷直流电动机的定子绕组结构示意图。无刷直流电动机控制系统技术第16页，共65页。直流无刷电动机的换
9、向原理直流无刷电动机的换向原理无刷直流电动机控制系统技术第17页，共65页。分析无刷电动机的换相过程有两个途径：（1）利用“定子空间的扇区图”来分析换相过程。（2）通过分析电动机的三相反电动势来分析。六个扇区与转子位置检测器检测的六个代码一一对应。转子位于哪个扇区就会输出对应的代码。无刷直流电动机控制系统技术第18页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第19页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第20页，共65页。从分析三相无刷直流电动机的三相反电动势的角度，同样也可以理解其换相过程。基本思路是：为了获得最大的转矩，应当使每相的反电动势与该相的电流位置相同。由于开关管的通电周期为120度电
10、角度，所以每相电流的宽度为120度，电流波形的中心位置应当与反电动势的中心位置相对应。无刷直流电动机控制系统技术第21页，共65页。扇区 1号 6号 5号 4号 3号 2号通电相序 A C B C B A C导通开关 2、1 6、1 5、6 4、5 3、4 2、3 表5-1 无刷直流电动机换相状态无刷直流电动机控制系统技术第22页，共65页。第二节第二节 无刷直流电动机的基本公式和数学模型无刷直流电动机的基本公式和数学模型 无刷直流电动机的基本物理量：电磁转矩、电枢电流、反电动势和转速等。这些物理量的表达式与电动机的气隙磁场分布、绕组形式有十分密切的关系。对于永磁无刷直流电动机，其气隙磁场波形
11、可以为方波，也可以实现正旋波或梯形波。对于采用稀土永磁材料的电动机，其气隙磁场一般为方波。理想波形图如图5-8.无刷直流电动机控制系统技术第23页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第24页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第25页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第26页，共65页。第三节第三节无刷直流电动机的转矩的波动无刷直流电动机的转矩的波动 对于方波电动机来说，引起波动的原因主要有以下几点：(1)齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动 由于定子齿槽的存在，定子铁心磁阻的变化仍然会产生磁阻转矩，就是齿槽转矩，它是交变的，与转子的位置有关。(2)谐波引起的转矩脉动 输入定子绕组的电流不
12、可能是完全意义上矩形波，反电动势与理想波形的偏差大，引起转矩脉动大。无刷直流电动机控制系统技术第27页，共65页。(3)电枢反应的影响 电枢反应使得气隙磁场发生畸变，相对静止的电枢与连续转动的转子产生电磁转矩发生变化。(4)相电流换向引起的转矩脉动 换相状态的变化与电动机自身的相反电动势有关，影响转矩脉动。(5)由于机械加工引起的转矩波动 无刷直流电动机控制系统技术第28页，共65页。第四节第四节 无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制 无刷直流电动机的应用范围广泛，它已从最初的航空、军事设施应用领域扩展到工业和民用领域，目前，小功率无刷直流电动机主要用于计算机外围设备、办公室自动化
13、设备和音响影视设备中，如软盘、硬盘、光盘的驱动，复印机、传真机、轻印刷机械、录像机、CD机、VCD机、摄像机等的驱动。无刷直流电动机控制系统技术第29页，共65页。家用电器的空调器、电冰箱、风扇、洗衣机等应用无刷电动机已经十分普遍。在航空、军事设施应用领域里的雷达驱动、机械武器瞄准驱动、自行火炮火力控制驱动等都采用无刷电动机控制。在工业领域，机器人关节驱动和自动生产线，电子产品加工装备上的各种中小功率的驱动等，也广泛采用无刷电动机控制。无刷直流电动机控制系统技术第30页，共65页。开环型无刷直流电动机驱动器开环型无刷直流电动机驱动器 速度闭环的无刷直流电动机驱动器速度闭环的无刷直流电动机驱动器
14、 速度电流双闭环的无刷直流电动机驱动器速度电流双闭环的无刷直流电动机驱动器 无刷直流电动机控制系统技术第31页，共65页。一、开环型无刷直流电动机驱动器 开环型三相无刷直流电动机驱动器内部包含有电子换向器主电路（三相H形桥式逆变器）、换向控制逻辑电路、PWM调速电路以及过流保护电路。电路结构5-10。（1）换向逻辑电路（参见图5-4）,位置传感器输出信号HA、HB、HC在360度电角度内给出六个代码，换向控制逻辑电路接收后，进行译码处理，给电子换向器主回路中的六个开关管驱动控制信号。无刷直流电动机控制系统技术第32页，共65页。开环型无刷直流电动机驱动器开环型无刷直流电动机驱动器无刷直流电动机
15、控制系统技术第33页，共65页。表5-2为换相控制逻辑表无刷直流电动机控制系统技术第34页，共65页。（2）PWM调速电路 无刷电动机脉宽调制电路来实现电动机的调速。图5-11是一种实用的脉宽调制电路。输入控制信号Uc与三角波信号Ut相叠加后信号为U+。脉宽调制电路输出的PWM信号的频率是由三角波信号的频率决定的，在目前实际的无刷直流电动机控制系统中，这一频率一般在10kHz以上。无刷直流电动机控制系统技术第35页，共65页。由于换相控制逻辑电路输出的换相信号频率与电动机的转速有关，与磁极数也有关，无论在何种情况下，换相控制信号的频率都远远低于PWM信号的频率，因此，可以把PWM信号和换相控制
16、信号通过逻辑“与”的办法合成在一起，通过调节PWM信号的占空比来调速。图5-12中表明了PWM信号与换相控制信号的合成和有关的波形。无刷直流电动机控制系统技术第36页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第37页，共65页。由于换相控制逻辑电路输出的换相信号频率与电动机的转速有关，与磁极数也有关，无论在何种情况下，换相控制信号的频率都远远低于PWM信号的频率，因此，可以把PWM信号和换相控制信号通过逻辑“与”的办法合成在一起，通过调节PWM信号的占空比来调速。图5-12中表明了PWM信号与换相控制信号的合成和有关的波形。无刷直流电动机控制系统技术第38页，共65页。（3）保护电路 无刷直流电动
17、机在开环运行的情况下，最重要的保护就是过流保护。一般在主回路中的直流母线上取得过流反馈信号，在过流保护环节中与设定的保护值相比较，如果超过了保护值，就引发保护动作，一般是封锁逆变器中的开关管，从而实现保护。无刷直流电动机控制系统技术第39页，共65页。二、速度闭环的无刷直流电动机驱动器二、速度闭环的无刷直流电动机驱动器 如果对无刷直流电动机的速度调节范围和速度控制精度有较高的要求，应采用速度闭环的控制结构，如图5-13。在开环型的驱动器的基础上，加上速度闭环，就形成了无刷直流电动机的速度闭环控制系统。在无刷直流电动机闭环调速系统中，速度控制器的输出信号，用作脉宽调制器的控制信号，一般将霍尔位置
18、传感器的信号加以处理后，形成速度反馈信号。无刷直流电动机控制系统技术第40页，共65页。速度闭环的无刷直流电动机驱动器速度闭环的无刷直流电动机驱动器无刷直流电动机控制系统技术第41页，共65页。霍尔位置传感器发出的是三路相差120度的低频脉冲信号HA、HB、HC，其进行辩向和6倍频处理，通过这样的处理，取出其中的方向信息，并使其频率提高。辩向和6倍频处理的电路如图5-14。无刷直流电动机控制系统技术第42页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第43页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第44页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第45页，共65页。其中，CPZ和CPF分别是正转和反转时，
19、经过6倍频的输出脉冲，CPZ和CPF的频率与电动机的转速成正比，但其脉冲宽度是不变的，等于一个同步时钟脉冲CP的周期。根据这一点，可以利用简单的低通滤波电路和加法电路得出与电动机的转速成正比的电压信号，这就是速度的反馈信号。在设计速度控制器的动态参数时，要考虑相位超前补偿，用来抵消由于反馈通路带来的相位滞后。无刷直流电动机控制系统技术第46页，共65页。采用速度单闭环控制的无刷直流电动机控制系统可以提高电动机的速度控制精度，减小速度误差。如果对系统的动态性能要求高，例如要求快速启动、突加负载时速度改变小，恢复快等，这需要转速和电流的双闭环控制。与有刷直流电动机双闭环系统相比，无刷直流电动机双闭
20、环系统中的电流环结构具有其特殊性，这是由于这里有三相电枢绕组，在不同的时刻，电动机的电流经过其中不同的两相，根据这一特点，至少必须设置两路电流传感器（霍尔电流传感器）如图5-16。三、速度电流双闭环的无刷直流电动机驱动器三、速度电流双闭环的无刷直流电动机驱动器无刷直流电动机控制系统技术第47页，共65页。三、速度电流双闭环的无刷直流电动机驱动器三、速度电流双闭环的无刷直流电动机驱动器无刷直流电动机控制系统技术第48页，共65页。构成电流闭环的方式有两种，一种方式只需要一个电流控制器，而另外一种方式需要三个电流控制器。（1）采用单一电流控制器的方式，需要将检测到的电流值IA和IB“拼接”起来，形
21、成一个总的电流反馈信号，这个总的电流反馈信号的幅值就是Im。电流反馈信号拼接原理如图5-17。无刷直流电动机控制系统技术第49页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第50页，共65页。速度控制器的输出信号Ugi，具有“转矩给定信号”的性质，因为电动机的电枢电流与转矩成正比，所以可以把速度控制器的输出信号用作电流环的给定信号。为了与反馈信号的极性相对，速度控制器的输出信号也做了相应的处理，如图5-18。图5-19是采用单一电流调节器的无刷直流电动机双闭环控制系统框图。无刷直流电动机控制系统技术第51页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第52页，共65页。（2）采用两只电流控制器的方式 采用
22、两只电流控制器构成双闭环系统，无需对电流反馈进行拼接，但需要对速度调节器的输出信号Ugi进行分解，使其能成为A相与B相的电流的给定信号。实现对Ugi的分解电路如图5-20。图5-21为脉冲宽度调制。无刷直流电动机控制系统技术第53页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第54页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第55页，共65页。电动机的位置传感器，增加了电动机的成本和制造难度，在某种意义上来说也降低了运行的可靠性。近来，无位置传感器的无刷直流电动机已经引起了业内人们的高度重视，尽管无位置传感器的无刷直流电动机控制原理和控制电路更加复杂一些，但总体结构大为简化，制造难度也降低了。第五节第五
23、节 无位置传感器的无刷直流电动机的驱无位置传感器的无刷直流电动机的驱动控制动控制无刷直流电动机控制系统技术第56页，共65页。无位置传感器的无刷直流电动机的转子位置需要通过估计来获得，获取转子位置的目的是为了换相，所以只需要估计出换相时刻的转子位置。对于三相绕组的电动机，在一个电周期内只要估计六个时刻，相邻两时刻转子位置相差60度电位角。常用的方法有反电动势法、定子三次谐波法、电流通路监视法等。一、无刷直流电动机转子位置估计方法一、无刷直流电动机转子位置估计方法无刷直流电动机控制系统技术第57页，共65页。（1）反电动势法 对于稳态运行的电动机来说，反电动势法是最简单最实用的方法。其原理为：无
24、刷直流电动机在任何时刻其三相绕组只有两相导通，每相绕组正反向分布导通120度电位角，通过测量三相绕组端子及中性点相对于直流母线负端的点位，可估算换相时刻。当某相绕组的端点电位与中性点电位相等时，说明此刻这项绕组的反电动势为零，再过30度电角度就必须对开关管进行换相，据此可设计过零检测及意向（或定时）电路，得到全桥驱动内6个开关管的顺序，这种方法叫做直接反电动势法，还有一种间接反电动势法。无刷直流电动机控制系统技术第58页，共65页。（2）定子三次谐波法 由于无刷直流电动机的反电动势为梯形波，包含三次谐波分量。将此分量检测出来进行积分，积分值为零时既得功率器件的开关信号。一种办法是在星形连接的电
25、动势绕组三个端子并联一组星形联接电阻，两个中性点之间的电压既为三次谐波分量。另一种办法是用星行电阻中性点与直流侧的中点之间的电压来获得三次谐波电压。无刷直流电动机控制系统技术第59页，共65页。二、无位置传感器无刷直流电动机控制系统的构成二、无位置传感器无刷直流电动机控制系统的构成 图5-23所示是采用反电动势法构成的无位置传感器无刷直流电动机控制系统，从电动机三相绕组的端点取出三相反电动势，经过过零检测和30度移相，得到了换向控制信号，此信号经过功率放大，就可以用来驱动电子换向器中的开关管。无刷直流电动机控制系统技术第60页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第61页，共65页。图5-24
26、所示是采用定子三次谐波法构成的无位置传感器无刷直流电动机控制系统，通过检测星形联结的电阻网络的中点与直流侧的中点之间的电压信号，获得三次谐波分量，通过滤波和积分得到了信号SCB，利用SCB的过零点信息，可以得出换相时刻。无刷直流电动机控制系统技术第62页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第63页，共65页。近几年来，无刷直流电动机得到广泛应用的主要原因是大量使用专用控制电路芯片和功率集成电路芯片。各国著名的半导体厂商推出了多种不同规格和用途的无刷直流电动机专用芯片。第六节第六节 无刷直流电动机驱动控制的专用芯片无刷直流电动机驱动控制的专用芯片介绍介绍无刷直流电动机控制系统技术第64页，共65页。无刷直流电动机控制系统技术第65页，共65页。
